KR102561696B1

KR102561696B1 - 초음파 워터-애그노스틱 터치 검출 센서

Info

Publication number: KR102561696B1
Application number: KR1020230014234A
Authority: KR
Inventors: 에산 카제; 브라이언 마이클 킹; 조지 호 인 막; 마르쿠스 입; 지오바니 고찌니
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2023-02-02
Publication date: 2023-07-28
Also published as: DE102021206098A1; CN113867559A; US11231816B2; KR20220002111A; KR20230022920A; US20210405809A1; KR102497145B1

Abstract

터치 및 물 검출을 위해 압축파 및 전단파 둘 모두를 사용하는 초음파 터치 감지 시스템이 개시된다. 어떠한 터치 또는 물도 존재하지 않을 때, 전단파 및 압축파 에너지가 덜 흡수되며, 따라서 전단파 반사 및 압축파 반사 둘 모두는 상당한 진폭 감소들을 갖지 않는다. 손가락이 감지 플레이트와 접촉할 때, 전단파 에너지 및 압축파 에너지 둘 모두가 흡수되며, 따라서 전단파 반사 및 압축파 반사 둘 모두는 상당한 진폭 감소들을 갖는다. 물이 감지 플레이트와 접촉할 때, 압축 에너지는 흡수되지만, 전단파 에너지는 거의 또는 전혀 흡수되지 않으며, 따라서 압축파 반사들은 상당한 진폭 감소들을 갖지만, 전단파 반사들은 그렇지 않다. 이들 진폭들로부터, 어떠한 터치도 감지 플레이트 상에 존재하지 않는지 여부, 터치가 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부, 또는 물이 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다.

Description

초음파 워터-애그노스틱 터치 검출 센서{ULTRASONIC WATER-AGNOSTIC TOUCH DETECTION SENSOR}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2020년 6월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/917,779호의 부분 계속 출원이며, 이의 내용은 모든 목적들을 위해 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함된다.

기술분야

본 발명은, 대체적으로, 터치 감지에 관한 것으로, 더 상세하게는, 검출 표면 상의 터치들 및 또한 물을 검출할 수 있는 초음파 워터-애그노스틱(water-agnostic) 터치 검출 시스템들에 관한 것이다.

버튼들 또는 키들, 마우스들, 트랙볼들, 조이스틱들 등과 같은 많은 유형들의 입력 메커니즘들이, 현재, 컴퓨팅 시스템에서 동작들을 수행하는 데 이용가능하다. 터치 감응형 표면들, 및 특히 터치 스크린들은 매우 대중화되었는데, 그 이유는 그들의 인하되는 가격뿐만 아니라 그들의 쉽고 융통성 있는 동작 때문이다. 터치 스크린들은 터치 감응형 표면을 갖는 투명한 패널일 수 있는 터치 센서 패널, 및 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이 디바이스를 포함할 수 있으며, 디스플레이 디바이스는, 터치 감응형 표면이 디스플레이 디바이스의 가시 영역의 적어도 일부분을 커버할 수 있도록, 부분적으로 또는 완전히 패널의 뒤에 위치될 수 있다. 터치 스크린들은 사용자가, 흔히 디스플레이 디바이스에 의해 디스플레이되고 있는 사용자 인터페이스(UI)에 의해 지시된 위치에서 손가락, 스타일러스 또는 다른 물체를 사용하여 터치 센서 패널을 터치함으로써 다양한 기능들을 수행하도록 허용할 수 있다. 일반적으로, 터치 스크린들은 터치 센서 패널 상의 터치 및 터치의 위치를 인식할 수 있고, 그 다음 컴퓨팅 시스템은 터치 시에 나타나는 디스플레이에 따라 터치를 해석할 수 있고, 이후에 터치에 기초하여 하나 이상의 액션들을 수행할 수 있다.

터치 감응형 표면들이 점점 더 많은 디바이스들 내에 통합됨에 따라, 그들이 동작할 것으로 예상되는 물리적 및 주변 환경들의 유형들이 또한 증가하고 있다. 예를 들어, 터치 감지 능력은 물 또는 다른 액체가 존재할 수 있는 디바이스들에서 요구되고, 더 두꺼운 감지 표면들 및 금속 감지 표면들 내에 터치 감지를 통합하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나, 용량성 유형 터치 감지 시스템들은 터치 감응형 표면과 접촉하는 전기적 부유 물체들(예컨대, 수적(water droplet)들)로 인해 감소된 성능을 겪을 수 있으며, 이는 실제 터치와 구별가능하지 않을 수 있다. 게다가, 용량성 유형 터치 감지 시스템들은 금속 터치 표면들 상의, 그리고 두꺼운 터치 표면들 상의 터치를 검출하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 반면에, 힘 감지는 실제 터치를 검출하고 물 또는 다른 액체들을 무시할 수 있지만, 두꺼운 또는 금속 표면들 상에서는 잘 작용하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이들 유형들의 표면들이 정확한 힘 감지에 필요한 굽힘 또는 압축에 저항하기에 충분히 경질일 수 있기 때문이다.

본 발명은 개선된 터치 및 물(또는 다른 액체) 검출을 위해 압축파(compressional wave)들 및 전단파(shear wave)들 둘 모두를 사용하는 초음파 터치 감지 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 초음파 전단 변환기는 감지 플레이트(예컨대, 커버 유리)를 통해 전단파를 송신할 수 있고, 또한 기생 압축파도 생성할 수 있다. 전단파 및 압축파는 터치 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재할 때 상이하게 반응한다. 손가락이 감지 플레이트와 접촉할 때, 전단파 에너지 및 압축파 에너지 둘 모두가 흡수되고, 전단파 및 압축파 둘 모두의 반사들은 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 대조적으로, 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트와 접촉할 때, 압축 에너지가 흡수되고, 압축파의 반사는 진폭이 상당히 감소할 수 있는 한편, 전단파로부터의 에너지는 거의 또는 전혀 흡수되지 않으며, 따라서 전단파의 반사는 진폭의 상당한 감소 없이 수신될 수 있다. 게다가, 초음파 자극 중심 주파수, 자극 주파수 스펙트럼, 재료의 유형 및 재료의 두께 중 하나 이상은 전단파 및 압축파의 반사들이 상이한 기간들에 수신될 수 있도록 선택될 수 있다. 전단파들로부터의 반사들의 진폭 및 압축파들로부터의 반사들의 진폭은 그들 상이한 기간들 내에 측정될 수 있다. 이들 진폭들로부터, 어떠한 터치도 감지 플레이트 상에 존재하지 않는지 여부, 터치가 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부, 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 복수의 초음파 전단 변환기들이 예를 들어 어레이로 채용될 때, 터치 또는 물의 위치가 또한 결정될 수 있다.

본 발명은, 또한, 감지 플레이트(예컨대, 전방 결정(front crystal))에서, 각각 상이한 공진 주파수로, 전단 비전파(즉, 정재 또는 공진) 파 및 압축 비전파(즉, 정재 또는 공진) 파 둘 모두를 생성하기 위해 복수의 초음파 변환기들을 이용할 수 있는 초음파 터치 감지 시스템에 관한 것이다. 전단 정재파 및 압축 정재파는 터칭 물체(예컨대, 손가락)가 감지 플레이트 상에 존재할 때, 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재할 때 감지 플레이트 내에서 상이하게 반응할 수 있다. 손가락과 같은 물체가 감지 플레이트와 접촉할 때, 전단파 에너지 및 압축파 에너지 둘 모두가 흡수될 수 있고, 감지 플레이트 내의 전단파 및 압축파 둘 모두의 에너지는 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트와 접촉할 때, 압축파 에너지가 또한 흡수될 수 있고, 감지 플레이트 내의 압축파의 에너지는 또한 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 그러나, 물(또는 다른 액체)이 존재할 때 전단파 에너지는 거의 또는 전혀 흡수되지 않을 수 있으며, 따라서 감지 플레이트 내의 전단파의 에너지는 진폭이 상당히 감소하지 않을 수 있다. 공진 전단파들의 진폭 및 공진 압축파들의 진폭은 각각의 변환기에서 측정될 수 있다. 이들 진폭들로부터, 어떠한 물체 또는 액체도 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하지 않는지 여부, 물체가 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부, 또는 액체가 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 복수의 초음파 변환기들이 예를 들어 어레이로 채용될 때, 물체 또는 액체의 위치가 또한 결정될 수 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 전자 디바이스들을 예시한다.
도 2는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 감지 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 블록도를 예시한다.
도 3a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파를 생성하는 기호로 표시된 전단파 변환기(symbolic shear wave transducer) 구현예를 예시한다.
도 3b는 본 발명의 예들에 따른, 압축파를 생성하는 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예를 예시한다.
도 4a는 본 발명의 예들에 따른, 어떠한 터칭 물체도 존재하지 않는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예를 예시한다.
도 4b는 본 발명의 예들에 따른, 도 4a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 5a는 본 발명의 예들에 따른, 터칭 물체가 있는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예를 예시한다.
도 5b는 본 발명의 예들에 따른, 도 5a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 6a는 본 발명의 예들에 따른, 물이 존재하는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예를 예시한다.
도 6b는 본 발명의 예들에 따른, 도 6a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 7a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 7b는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 8a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 또 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 8b는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 또 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램을 예시한다.
도 9는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 전단파 변환기들의 어레이를 포함하는 터치 감응형 표면의 기호로 표시된 평면도를 예시한다.
도 10은 본 발명의 예들에 따른, 초음파 워터-애그노스틱 터치 검출을 위한 흐름도를 예시한다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 변환기 어레이의 주요 층들을 예시한다.
도 11d는 본 발명의 예들에 따른, 도 11a 내지 도 11c의 층들의 스택업(stackup)의 평면도를 예시한다.
도 12a는 본 발명의 예들에 따른, 도 11d의 어레이 내의 2개의 초음파 변환기들의 단면도를 예시한다.
도 12b는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파들의 선택을 위한 예시적인 전단 수평 분산 곡선들을 예시한다.
도 12c는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 압축파들의 선택을 위한 예시적인 램(Lamb)/압축 분산 곡선들을 예시한다.
도 13a는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파 및 압축파 이미징의 개념을 예시한다.
도 13b는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파 및 압축파 이미징의 기호로 표시된 평면도를 예시한다.
도 14a는 본 발명의 예들에 따른, 별개의 변환기들을 사용한 전단파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다.
도 14b는 본 발명의 예들에 따른, 별개의 변환기들을 사용한 압축파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다.
도 15a는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 송신기들이 공진 전단파 생성을 중지한 후에 공진 전단파 에너지를 검출하도록 구성된 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다.
도 15b는 본 발명의 예들에 따른, 도 15a의 수신 윈도우 동안 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다.
도 15c는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 송신기들이 공진 전단파들을 생성하고 있는 동안 공진 전단파 에너지를 검출하도록 구성된 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다.
도 16a는 본 발명의 예들에 따른, 동일한 변환기를 사용한 전단파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다.
도 16b는 본 발명의 예들에 따른, 동일한 변환기를 사용한 압축파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다.
도 17a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 또는 압축파 생성 및 검출 둘 모두를 수행하도록 구성된 초음파 변환기에서 수신된 신호를 예시한다.
도 17b는 본 발명의 예들에 따른, 도 17a의 수신 윈도우(1776) 동안 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다.
도 18은 본 발명의 예들에 따른, 비전파(공진) 전단파 및 압축파를 사용하여 워터-애그노스틱 터치를 수행하기 위한 흐름도를 예시한다.

다양한 예들의 다음의 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면들이 참조되고, 실행될 수 있는 특정 예들이 도면들 내에서 예시로서 도시된다. 다양한 예들의 범주를 벗어나지 않으면서 다른 예들이 이용될 수 있고 구조적 변경이 행해질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명의 예들은 개선된 터치 및 물(또는 다른 액체) 검출을 위해 압축파들 및 전단파들 둘 모두를 사용하는 초음파 터치 감지 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 초음파 전단 변환기는 감지 플레이트(예컨대, 커버 유리)를 통해 전단파를 송신할 수 있고, 또한 기생 압축파도 생성할 수 있다. 전단파 및 압축파는 터치 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재할 때 상이하게 반응한다. 손가락이 감지 플레이트와 접촉할 때, 전단파 에너지 및 압축파 에너지 둘 모두가 흡수되고, 전단파 및 압축파 둘 모두의 반사들은 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 대조적으로, 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트와 접촉할 때, 압축 에너지가 흡수되고, 압축파의 반사는 진폭이 상당히 감소할 수 있는 한편, 전단파로부터의 에너지는 거의 또는 전혀 흡수되지 않으며, 따라서 전단파의 반사는 진폭의 상당한 감소 없이 수신될 수 있다. 게다가, 초음파 자극 중심 주파수, 자극 주파수 스펙트럼, 재료의 유형 및 재료의 두께 중 하나 이상은 전단파 및 압축파의 반사들이 상이한 기간들에 수신될 수 있도록 선택될 수 있다. 전단파들로부터의 반사들의 진폭 및 압축파들로부터의 반사들의 진폭은 그들 상이한 기간들 내에 측정될 수 있다. 이들 진폭들로부터, 어떠한 터치도 감지 플레이트 상에 존재하지 않는지 여부, 터치가 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부, 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 복수의 초음파 전단 변환기들이 예를 들어 어레이로 채용될 때, 터치 또는 물의 위치가 또한 결정될 수 있다. 용어 "물"이 간결성을 위해 본 명세서에서 주로 사용될 수 있지만, 본 발명의 예들은 물의 검출로 제한되지 않으며, 물 이외의 액체들의 검출을 포함한다는 것이 이해되어야 하는 것에 유의한다.

본 발명의 예들은, 또한, 감지 플레이트(예컨대, 전방 결정)에서, 각각 상이한 공진 주파수로, 전단 비전파(정재) 파 및 압축 비전파(정재) 파 둘 모두를 생성하기 위해 복수의 초음파 변환기들을 이용할 수 있는 초음파 터치 감지 시스템에 관한 것이다. 전단 정재파 및 압축 정재파는 터칭 물체(예컨대, 손가락)가 감지 플레이트 상에 존재할 때, 또는 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트 상에 존재할 때 감지 플레이트 내에서 상이하게 반응할 수 있다. 손가락과 같은 물체가 감지 플레이트와 접촉할 때, 전단파 에너지 및 압축파 에너지 둘 모두가 흡수될 수 있고, 감지 플레이트 내의 전단파 및 압축파 둘 모두의 에너지는 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 물(또는 다른 액체)이 감지 플레이트와 접촉할 때, 압축파 에너지가 또한 흡수될 수 있고, 감지 플레이트 내의 압축파의 에너지는 또한 진폭이 상당히 감소할 수 있다. 그러나, 물(또는 다른 액체)이 존재할 때 전단파 에너지는 거의 또는 전혀 흡수되지 않을 수 있으며, 따라서 감지 플레이트 내의 전단파의 에너지는 진폭이 상당히 감소하지 않을 수 있다. 공진 전단파들의 진폭 및 공진 압축파들의 진폭은 각각의 변환기에서 측정될 수 있다. 이들 진폭들로부터, 어떠한 물체 또는 액체도 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하지 않는지 여부, 물체가 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부, 또는 액체가 그 변환기의 위치에서 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 복수의 초음파 압축파 변환기들이 예를 들어 어레이로 채용될 때, 물체 또는 액체의 위치가 또한 결정될 수 있다.

도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 전자 디바이스들을 예시한다. 도 1a는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 모바일 전화기(102)를 예시한다. 도 1b는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 디지털 미디어 재생기(104)를 예시한다. 도 1c는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 개인용 컴퓨터(106)를 예시한다. 도 1d는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 태블릿 컴퓨팅 디바이스(108)를 예시한다. 도 1e는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있는 웨어러블 디바이스(110)(예컨대, 시계)를 예시한다. 도 1a 내지 도 1e에 예시된 예시적인 디바이스들은 예들로서 제공되고, 다른 유형들의 디바이스들이 본 발명의 예들에 따른 초음파 터치 및 물 검출을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

시스템의 터치 감지 표면에 터치 및 물 감지 능력들을 추가하기 위해 초음파 센서들이 위에서 설명된 디바이스들 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 일부 예들에서, 초음파 터치 감지 시스템은 젖은 환경들에서 또는 디바이스가 젖을 수 있는 조건들(예컨대, 운동, 수영, 비, 손 씻기) 하에서 터치 감지 능력을 제공하기 위해 터치 스크린(예컨대, 용량성, 저항성 등)을 대체하거나 증강시킬 수 있다. 일부 예들에서, 달리 터치 감응형이 아닌 디스플레이 스크린이 초음파 센서들로 증강되어 터치 감지 능력을 제공할 수 있다. 그러한 예들에서, 터치 감응형 디스플레이는 용량성 터치 스크린에 요구되는 스택업 없이 구현될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 센서들은 비디스플레이 표면에 대한 터치 감지 능력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 센서들은 트랙 패드, 버튼, 스크롤 휠, 하우징의 일부 또는 전부 또는 (예컨대, 전방, 후방 또는 측부들 상에 있는) 디바이스의 임의의 다른 표면들에 대한 터치 감지 능력들을 제공하는 데 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 터치 및 물 감지 시스템을 포함하는 전자 디바이스의 블록도를 예시한다. 일부 예들에서, (위의 디바이스들(102, 104, 106, 108, 110)에 대응할 수 있는) 디바이스(200)의 감지 플레이트(202)가 하나 이상의 초음파 변환기들(204)과 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은, 송신기로서 작용할 때 전기 신호들의 인가에 의해 진동하도록 제조될 수 있고 수신기로서 작용할 때 검출된 진동들에 기초하여 전기 신호들을 생성할 수 있는 압전 전단파 변환기들일 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은 압전 세라믹 재료(예컨대, 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 또는 포타슘 소듐 니오베이트(KNN)) 또는 압전 플라스틱 재료(예컨대, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF))로부터 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은 접합제(예컨대, 경질 에폭시의 얇은 층)에 의해 감지 플레이트(202)에 접합될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은 침착, 리소그래피 등과 같은 프로세스들을 통해 감지 플레이트(202)의 표면 상에 침착될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은 전도성 또는 비전도성 접합 재료들을 사용하여 감지 플레이트(202)의 표면에 접합될 수 있다. 전기 에너지가 초음파 변환기들(204)에 인가될 때, 그는 변환기들 및 변환기들과 접촉하는 임의의 재료가 진동하게 할 수 있고, 재료의 분자들의 진동들은 감지 플레이트(202)를 통해 다양한 모드들로 초음파로서 전파될 수 있다.

일부 예들에서, 감지 플레이트(202)는 디스플레이(208)(예컨대, 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이) 아래에 또는 그 내부에 부분적으로 또는 완전히 배치될 수 있으며, 이때 파선들은 그의 선택적인 존재를 나타낸다. 일부 예들에서, 터치 회로부(212)가, 또한, 디스플레이(208) 아래에 또는 그 내부에 부분적으로 또는 완전히 배치되어 터치 스크린(예컨대, 용량성)을 형성할 수 있고, 초음파 변환기들(204)은 터치 스크린의 일부분 상에 부분적으로 또는 완전히 배치될(또는 그에 결합될) 수 있다. 예를 들어, 터치 스크린은 유리 또는 플라스틱 패널(감지 플레이트)을 포함할 수 있고, 터치 스크린의 디스플레이 영역은 비디스플레이 영역(예컨대, 터치 스크린의 디스플레이 영역의 주변부를 둘러싸는 흑색 경계 영역)에 의해 둘러싸일 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 변환기들(204)은, 변환기들이 사용자에게 보이지 않도록(또는 단지 부분적으로 보이도록), 터치 스크린 패널의 흑색 마스크 영역 내에(예컨대, 흑색 마스크 뒤에 있는 패널의 배면 상에) 부분적으로 또는 완전히 배치될 수 있다. 다른 예들에서, 초음파 변환기들(204)은 트랙패드 아래에 또는 그 뒤에, 또는 하우징의 하나 이상의 측부들 또는 후부 아래에 부분적으로 또는 완전히 배치될 수 있다.

디바이스(200)는 초음파 터치 감지 회로부(206)를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 초음파 변환기들(204)의 진동을 자극하기 위한 전기 신호들을 구동하기 위한 회로부(예컨대, 송신 회로부)뿐만 아니라, 변환기가 수신된 초음파 에너지에 의해 자극될 때 변환기들에 의해 출력되는 전기 신호들을 감지하기 위한 회로부(예컨대, 수신 회로부)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 터치 감지 회로부(206)에 대한 타이밍 동작들은, 선택적으로, 초음파 터치 감지 회로부 동작들의 타이밍을 제어할 수 있는 별개의 초음파 터치 감지 제어기(210)에 의해 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 초음파 터치 감지 제어기(210)는 초음파 터치 감지 회로부(206)와 호스트 프로세서(214) 사이에 결합될 수 있다. 일부 예들에서, 제어기 기능들은 (예컨대, 단일 집적 회로 상의) 초음파 터치 감지 회로부(206)와 통합될 수 있다. 초음파 터치 감지 회로부(206)로부터의 출력 데이터는, 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 디바이스와 접촉하는 터치 또는 물을 결정하기 위한 추가의 프로세싱을 위해 호스트 프로세서(214)로 출력될 수 있다. 일부 예들에서, 터칭 물체 또는 물을 결정하기 위한 프로세싱은 초음파 터치 감지 회로부(206), 초음파 터치 감지 제어기(210) 또는 디바이스(200)의 별개의 서브프로세서(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다.

디바이스(200)는, 또한, 선택적인 터치 회로부(212)에 더하여 선택적인 터치 제어기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 터치 제어기를 포함하는 예들에서, 터치 제어기는 터치 회로부(212)와 호스트 프로세서(214) 사이에 배치될 수 있다. 터치 회로부(212)는, 예를 들어, 용량성 또는 저항성 터치 감지 회로부일 수 있고, 특히 터치 스크린의 디스플레이 영역에서, 터치 스크린과 접촉하고/하거나 그에 근접한 물체(예컨대, 손가락들, 스타일러스들)의 접촉 및/또는 호버링(hovering)을 검출하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 디바이스(200)는, 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 디바이스의 상이한 영역들에서 물체들(및 일부 경우들에서 그들의 위치들)을 검출하기 위한 그리고 상이한 목적들을 위한 다수의 유형들의 감지 회로부(예컨대, 터치 회로부(212) 및 초음파 변환기들(204))를 포함할 수 있다.

호스트 프로세서(214)는 초음파 터치 감지 회로부(206)로부터의 초음파 출력들 또는 터치 회로부(212)로부터의 다른 터치 출력들(예컨대, 용량성)을 수신하고 터치 출력들에 기초하여 액션들을 수행할 수 있다. 호스트 프로세서(214)는, 또한, 프로그램 저장소(216) 및 디스플레이(208)에 연결될 수 있다. 호스트 프로세서(214)는, 예를 들어, 디스플레이(208)와 통신하여 디스플레이 상에 UI의 이미지와 같은 이미지를 생성할 수 있고, 터치 감지 회로부(212) 및/또는 초음파 터치 감지 회로부(206)(및, 일부 예들에서, 그들의 각각의 제어기들)를 사용하여 터치 스크린 상에서 또는 그 근처에서 디스플레이된 UI에 대한 터치 입력과 같은 터치를 검출할 수 있다. 터치 입력은, 커서 또는 포인터와 같은 물체를 이동시키는 것, 스크롤링 또는 패닝(panning)하는 것, 제어 설정을 조정하는 것, 파일 또는 문서를 여는 것, 메뉴를 보는 것, 선택을 행하는 것, 명령어들을 실행시키는 것, 호스트 디바이스에 연결된 주변기기 디바이스를 동작시키는 것, 전화 호출을 받는 것, 전화 호출을 거는 것, 전화 호출을 종료하는 것, 볼륨 또는 오디오 설정을 변경하는 것, 주소, 자주 다이얼링되는 번호, 받은 호출, 부재중 호출과 같은 전화 통신과 관련된 정보를 저장하는 것, 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크에 로그인하는 것, 컴퓨터 또는 컴퓨터 네트워크의 제한된 영역들에의 허가된 개인의 액세스를 허용하는 것, 컴퓨터 데스크톱의 사용자 선호 배열과 연관된 사용자 프로파일을 로딩하는 것, 웹 콘텐츠에의 액세스를 허용하는 것, 특정 프로그램을 론칭(launching)하는 것, 메시지를 암호화 또는 디코딩하는 것 등을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는 액션들을 수행하기 위해 프로그램 저장소(216)에 저장된 컴퓨터 프로그램들에 의해 사용될 수 있다. 호스트 프로세서(214)는, 또한, 터치 프로세싱에 관련되지 않을 수 있는 추가 기능들을 수행할 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 기능들 중 하나 이상은, 메모리에 저장되고 터치 회로부(212) 및/또는 초음파 터치 감지 터치 감지 회로부(206)(또는 그들의 각각의 제어기들)에 의해 실행되거나, 또는 프로그램 저장소(216)에 저장되고 호스트 프로세서(214)에 의해 실행되는 펌웨어에 의해 수행될 수 있는 것에 유의한다. 펌웨어는, 또한, 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스로부터 명령어들을 페치(fetch)할 수 있고 명령어들을 실행시킬 수 있는 컴퓨터 기반 시스템, 프로세서 포함 시스템, 또는 기타 시스템과 같은, 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 임의의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체 내에 저장되고/되거나 전송될 수 있다. 본 명세서와 관련하여, "비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 포함하거나 저장할 수 있는 (신호를 제외한) 임의의 매체일 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선, 또는 반도체 시스템, 장치 또는 디바이스, 휴대용 컴퓨터 디스켓(자기), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(자기), 판독 전용 메모리(ROM)(자기), 소거가능 프로그래머블 판독 전용 메모리(EPROM)(자기), CD, CD-R, CD-RW, DVD, DVD-R, 또는 DVD-RW와 같은 휴대용 광학 디스크, 또는 콤팩트 플래시 카드, 보안 디지털 카드, USB 메모리 디바이스, 메모리 스틱과 같은 플래시 메모리 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.

펌웨어는 또한 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스로부터 명령어들을 페치하고 명령어들을 실행할 수 있는, 컴퓨터 기반 시스템, 프로세서 포함 시스템, 또는 다른 시스템과 같은, 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 임의의 전송 매체 내에서 전파될 수 있다. 본 명세서의 맥락에서, "전송 매체"는 명령어 실행 시스템, 장치, 또는 디바이스에 의해 또는 그와 관련하여 사용하기 위한 프로그램을 전달, 전파 또는 전송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다. 전송 판독가능 매체는 전자, 자기, 광학, 전자기, 또는 적외선형 유선 또는 무선 전파 매체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

디바이스(200)가 도 2의 컴포넌트들 및 구성으로 제한되지 않고, 다양한 예들에 따른 다수의 구성들에서 다른 또는 추가의 컴포넌트들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 추가적으로, 디바이스(200)의 컴포넌트들은 단일 디바이스 내에 포함될 수 있거나, 다수의 디바이스들 사이에 분산될 있다. 게다가, 컴포넌트들 사이의 연결들이 예시적이고, 도 2의 구성에 도시된 화살표들과 관계없이, 구현예에 따라 컴포넌트들 사이에 상이한 단방향 또는 양방향 연결들이 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 예들은 개선된 터치 및 물 검출을 위해 압축파들 및 전단파들 둘 모두를 사용하는 초음파 터치 감지 시스템에 관한 것이다. 횡파들로도 알려진 전단파들은 파의 전파 방향에 직교하는 변위들을 생성한다. 전단파들(및 그들의 반사들)은 감지 플레이트의 표면 상의 물체들을 검출하는 데 사용될 때 이점들을 제공하는데, 그 이유는 그들의 반사들이 터칭 물체에 의해 영향을 받는 동안, 그들이 물에 의해 (비교적) 영향을 받지 않기 때문이다. 따라서, 전단파들은, 물을 검출하지 않고서, 터치를 검출하는 데 사용될 수 있다. 게다가, 전단파들은 두꺼운 감지 플레이트들 및 금속 감지 플레이트 상의 터치들을 효과적으로 검출할 수 있고, 광 터치들을 검출할 수 있다. 따라서, 터치/터치 없음 결정을 하기 위해 다수의 상이한 감지 플레이트 구성들과 함께 전단파들이 사용되어, 재료 유형 및 두께에서 더 큰 융통성의 이점을 제공할 수 있다. 그러나, 전단파들은 물의 존재를 확정적으로 검출하는 데 사용될 수 없다.

초음파 변환기들은, 또한, 압축 모드들과 같은 전단 모드들 이외의 모드들에서 초음파 에너지를 생성한다. 압축파들은 파의 전파와 동일한 방향인 변위들을 생성한다. 전단파 반사들과는 달리, 압축파 반사들은 터칭 물체들 및 물 둘 모두에 의해 영향을 받는다. 압축파들이 물에 의해 영향을 받기 때문에, 소정 상황들 하에서, 그들은 물과 상호작용하고 반사파들의 감쇠 및 터치와 물의 존재 사이의 모호성의 도입을 야기하여, 터치 감지의 정확도에 있어서의 오차 및 정확한 워터-애그노스틱 터치 감지 능력의 손실을 초래할 수 있다. 그러나, 압축파들을 억제되거나 제거되도록 의도되는 잡음 또는 기생파들로 취급하기보다는, 본 발명의 예들은 압축파들의 물 검출 특성을 이점으로 취급하고, 전단파 반사들과 함께 압축파 반사들을 이용하여 터치 및 물 검출 둘 모두와 일부 예들에서 더 정확한 터치 검출을 제공한다. 예를 들어, 압축파 반사의 진폭 또는 에너지의 감소를 모니터링하는 것은 터치가 존재하는지 여부의 더 강인한 표시 또는 측정을 제공할 수 있다. 이러한 결정을 하기 위해, 반사파들에서의 복귀 초음파 에너지가 변환기에 의해 수신될 수 있고, 초음파 에너지는 반사파의 진폭 또는 에너지를 결정하기 위해 변환기에 의해 전기 신호로 변환될 수 있다.

터치 및 물 검출을 수행하기 위해, 본 발명의 예들은 반사된 전단파의 진폭 또는 에너지가 제1 사전결정된 임계치 미만인지 여부, 및 반사된 압축파의 진폭 또는 에너지가 제2 사전결정된 임계치 미만인지 여부를 결정할 수 있다. 둘 모두의 조건들이 만족되면, 터치가 감지 플레이트에 존재한다고 결정될 수 있다. 그러나, 반사된 전단파의 진폭 또는 에너지가 제1 사전결정된 임계치 초과이고, 반사된 압축파의 진폭 또는 에너지가 제2 사전결정된 임계치 미만인 경우, 물이 감지 플레이트에 존재한다고 결정될 수 있다. 반사된 전단파의 진폭 또는 에너지가 제1 사전결정된 임계치 초과이고, 반사된 압축파의 진폭 또는 에너지가 제2 사전결정된 임계치 초과인 경우, 어떠한 터치 또는 물도 감지 플레이트에 존재하지 않는다고 결정될 수 있다.

전단파 반사 및 압축파 반사가 흔히 시간이 중첩되기 때문에, 이들 진폭 또는 에너지 임계치 결정들을 하는 것은 복잡하거나 오차가 발생하기 쉬울 수 있다. 따라서, 본 발명의 예들은 압축파와 전단파 사이의 속도 차이들을 이용하여(예컨대, 소정 재료들 및 두께들에 대해, 압축파들은 전단파들보다 약 1.6 내지 1.7배 더 빠름), 전단파 반사 및 압축파 반사가 분리되는 시간의 윈도우들을 식별한다. 그들 윈도우들 내에서, 전단파 또는 압축파 반사들의 진폭들 또는 에너지 레벨들이, 다른 파들로부터의 간섭이 덜한 상태에서, 더 정확하게 측정될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파를 생성하는 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예(300)를 예시한다. 도 3a의 예에서, 전단파 변환기(302)는 x축(폴링 축(polling axis))을 따라 배향될 수 있고, 감지 플레이트(314)와 함께 형성될(예컨대, 그에 접합되거나 달리 결합될) 수 있다. 전단파 변환기(302)는, 전극들(304, 306)을 가로지르는 전압의 극성을 반복적으로 스위칭하여, 감지 플레이트 표면에 평행한, x축을 따른 변위(308)를 생성함으로써 진동할 수 있다. 폴링 방향 및 전극 구성이 적절하게 선택되는 경우, (310으로 기호로 예시된) 전단파들이 z축을 따라(전파 방향(312)으로) 생성될 수 있다. 그러나, 변환기(302) 및 전극들(304, 306) 내의 물리적 결함들로 인해, 기생 압축파가, 또한, z 방향으로 전파될 수 있다.

도 3b는 본 발명의 예들에 따른, 압축파를 생성하는 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예(300)를 예시한다. 도 3b의 예에서, 기생 압축파(316)는 z 방향으로의 그리고 변환기의 코너들에서의 전단파 변환기(304)의 작은 의도하지 않은 변위들(318)로 인해 형성될 수 있다. 도 3a 및 도 3b로부터 볼 수 있는 바와 같이, 전단파 변환기(304)에 의해 생성된 전단파(310) 및 기생 압축파(316) 둘 모두는 z 방향으로 전파되며, 여기에서 손가락 또는 물과 같은 물체가 감지 플레이트(314)의 표면 상에 존재할 수 있다. 그러나, 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 전단파(310) 및 압축파(316)와 그들 물체들의 상호작용들은 상이한 결과들을 생성한다.

도 4a는 본 발명의 예들에 따른, 어떠한 터칭 물체도 존재하지 않는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예(400)를 예시한다. 도 4a의 예에서, 전단파 변환기(402)는 둘 모두 z축 전파 방향(408)을 갖는, 위에서 논의된 바와 같은 전단파(404) 및 압축파(406) 둘 모두를 생성한다. 감지 플레이트(410)를 터치하는 물체의 부재 시에, 전단파(404) 및 압축파(406) 둘 모두는, 진폭 또는 에너지의 비교적 작은 강하를 갖고서, (둘 모두의 별개의 반사들을 기호로 예시하는) 반사파(412)에 의해 도시된 바와 같이 전단파 변환기(402)로 다시 반사된다.

도 4b는 본 발명의 예들에 따른, 도 4a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(414)을 예시한다. 도 4b에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 4b의 예에서, 전단파 변환기는 시간 t0에서 전단파(404) 및 압축파(406) 둘 모두를 생성할 수 있고, 압축파의 더 빠른 속도 때문에, 제1 압축파 반사(416)의 라운드 트립(round trip)이 시간 t1에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 이어서, 전단파(404)의 더 느린 속도 때문에, 제1 전단파 반사(418)의 라운드 트립이 시간 t2에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 유사하게, 후속 압축파 반사들이 시간 t3, t4 및 t6에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있는 한편, 후속 전단파 반사들은 시간 t5 및 t7에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 도 4b의 예에 도시된 바와 같이, 시간 윈도우(422)는 제1 압축파 반사(416)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있고, 시간 윈도우(424)는 제1 전단파 반사(418)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있다. 어떠한 터치도 감지 플레이트(410)에 존재하지 않기 때문에, 제1 전단파 반사(418) 및 제1 압축파 반사(416) 둘 모두의 진폭 또는 에너지는, 도 4b의 삽입 도면(drawing insert)(420)에 도시된 바와 같이, 각각 제1 임계치(426) 및 제2 임계치(428) 초과인 것으로 전단파 변환기에서 검출될 수 있다. 따라서, 어떠한 터치도 검출되지 않을 수 있다.

도 5a는 본 발명의 예들에 따른, 터칭 물체가 있는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예(500)를 예시한다. 도 5a의 예에서, 전단파 변환기(502)는 둘 모두 z축 전파 방향(508)을 갖는, 위에서 논의된 바와 같은 전단파(504) 및 압축파(506) 둘 모두를 생성한다. 감지 플레이트(510)를 터치하는 물체(530)의 존재 시에, 전단파(504) 및 압축파(506) 둘 모두는, 진폭 또는 에너지의 비교적 큰 강하를 갖고서, (둘 모두의 별개의 반사들을 기호로 예시하는) 반사파(512)에 의해 도시된 바와 같이 전단파 변환기(502)로 다시 반사된다.

도 5b는 본 발명의 예들에 따른, 도 5a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(514)을 예시한다. 도 5b에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 5b의 예에서, 전단파 변환기는 시간 t0에서 전단파(504) 및 압축파(506) 둘 모두를 생성할 수 있고, 압축파의 더 빠른 속도 때문에, 제1 압축파 반사(516)의 라운드 트립이 시간 t1에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 이어서, 전단파(504)의 더 느린 속도 때문에, 제1 전단파 반사(518)의 라운드 트립이 시간 t2에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 유사하게, 후속 압축파 반사들이 시간 t3, t4 및 t6에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있는 한편, 후속 전단파 반사들은 시간 t5 및 t7에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 도 5b의 예에 도시된 바와 같이, 시간 윈도우(522)는 제1 압축파 반사(516)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있고, 시간 윈도우(524)는 제1 전단파 반사(518)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있다. 터칭 물체(530)가 감지 플레이트(510)에 존재하기 때문에, 제1 전단파 반사(518) 및 제1 압축파 반사(516) 둘 모두의 진폭 또는 에너지는, 도 5b의 삽입 도면(520)에 도시된 바와 같이, 각각 (도 4b의 임계치들(426, 428)에 대응하는) 제1 임계치(526) 및 제2 임계치(528) 미만인 것으로 전단파 변환기에서 검출될 수 있다. 따라서, 터치가 검출될 수 있다.

도 6a는 본 발명의 예들에 따른, 물이 존재하는 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 구현예(600)를 예시한다. 도 6a의 예에서, 전단파 변환기(602)는 둘 모두 z축 전파 방향(608)을 갖는, 위에서 논의된 바와 같은 전단파(604) 및 압축파(606) 둘 모두를 생성한다. 감지 플레이트(610)를 터치하는 물(632)의 존재 시에, 전단파(604)는, 진폭 또는 에너지의 비교적 작은 강하를 갖고서, (둘 모두의 별개의 반사들을 기호로 예시하는) 반사파(612)에 의해 도시된 바와 같이 전단파 변환기(602)로 다시 반사되는 한편, 압축파(606)는, 진폭 또는 에너지의 비교적 큰 강하를 갖고서, 반사파(612)에 의해 도시된 바와 같이 전단파 변환기로 다시 반사된다.

도 6b는 본 발명의 예들에 따른, 도 6a의 전단파 변환기 구현예에 대응하는 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(614)을 예시한다. 도 6b에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 6b의 예에서, 전단파 변환기는 시간 t0에서 전단파(604) 및 압축파(606) 둘 모두를 생성할 수 있고, 압축파의 더 빠른 속도 때문에, 제1 압축파 반사(616)의 라운드 트립이 시간 t1에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 이어서, 전단파(604)의 더 느린 속도 때문에, 제1 전단파 반사(618)의 라운드 트립이 시간 t2에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 유사하게, 후속 압축파 반사들이 시간 t3, t4 및 t6에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있는 한편, 후속 전단파 반사들은 시간 t5 및 t7에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 도 6b의 예에 도시된 바와 같이, 시간 윈도우(622)는 제1 압축파 반사(616)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있고, 시간 윈도우(624)는 제1 전단파 반사(618)의 진폭 또는 에너지를 캡처하기 위해 경험적으로 또는 달리 결정될 수 있다. 물(632)이 감지 플레이트(610)에 존재하기 때문에, 도 6b의 삽입 도면(620)에 도시된 바와 같이, 제1 전단파 반사(618)의 진폭 또는 에너지는 (도 4b의 임계치(426)에 대응하는) 제1 임계치(626) 초과인 것으로 전단파 변환기(602)에서 검출될 수 있고, 제1 압축파 반사(616)의 진폭 또는 에너지는 (도 4b의 임계치(428)에 대응하는) 제2 임계치(628) 미만인 것으로 전단파 변환기(602)에서 검출될 수 있다. 따라서, 물이 검출될 수 있다.

도 4a, 도 4b, 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b는 명확한 시간 간격(clear time separation)(즉, 중첩 없음)을 두고 도시되는, 제1 압축파 반사 및 제1 전단파 반사를 캡처하기 위한 시간 윈도우들을 도시한다. 그러나, 시간 t4에서의 제3 압축파 반사 및 시간 t5에서의 제2 전단파 반사로부터 볼 수 있는 바와 같이, 압축파 반사 및 전단파 반사는 항상 명확한 시간 간격을 갖지는 않으며, 일부 경우들에 반사들은 바람직하지 않게는 중첩될 수 있다. 감지 플레이트 스택업들은, 존재하는 경우, 또한, 반사들의 존재 및 타이밍을 복잡하게 할 수 있다. 예를 들어, 다양한 디스플레이 층들이 전단파 변환기와 감지 플레이트 표면 사이에 존재하는 경우, 전단파 반사 및 압축파 반사 및/또는 모드 변환들이 층 계면들 및 다른 불연속부들에서 생성될 수 있으며, 적절한 시간 윈도우들을 찾기 어렵게 만들 수 있는 다수의 내부 반사들이 일어날 수 있다. 본 발명의 예들은 특정 압축파 반사 및 특정 전단파 반사가 충분한 시간 간격(예컨대, 중첩 없음, 또는 중첩에 기인하는 오차가 적절한 터치 검출 성능을 보장하는 소정 임계치 미만이도록 하는 전단파 및 압축파의 테일(tail)들 사이의 최소의 중첩)을 두고 식별될 수 있게 하도록 초음파 주파수와 전단 플레이트 재료들 및 두께들 중 하나 이상을 선택하고, 이러한 시간 간격 때문에, 시간 윈도우들은 전단파 및 압축파 둘 모두의 반사들을 별도로 측정하도록 식별될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "비중첩"은 시간 중첩 없음, 또는 중첩에 기인하는 오차들이 소정 임계치 미만이도록 하는 최소의 시간 중첩을 지칭한다.

감지 플레이트로서 사용되는 각각의 재료는 특정 두께에서 특정 전단파 및 압축파 속도를 가지며, 이러한 속도는 반사파가 전단파 변환기에 다시 도달할 때를 결정한다. 게다가, 전단파 및 압축파의 주파수 및 대역폭은 반사파들의 지속 시간을 결정한다. 예를 들어, 주어진 수의 사이클들에 걸친 낮은 주파수의 파는 더 긴 전단파 및 압축파 반사 펄스 지속시간을 가질 것이며, 이는 반사 중첩의 가능성을 증가시킬 수 있다. 반대로, 동일한 수의 사이클들에 걸친 더 높은 주파수의 파들은 더 짧은 전단파 및 압축파 반사 펄스 지속시간을 가질 것이며, 이는 반사 중첩의 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 재료 두께 및 주파수의 고려는 전단파 반사 및 압축파 반사의 간격을 유지시키는 데 있어서 중요한 고려사항들일 수 있다.

도 7a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(700)을 예시한다. 도 7a에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 7a의 예에서, 전단파 변환기는 시간 t0에서 전단파(704) 및 압축파(706) 둘 모두를 생성할 수 있고, 압축파의 더 빠른 속도 때문에, 제1 압축파 반사(716)의 라운드 트립이 시간 t1에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 이어서, 전단파(704)의 더 느린 속도 때문에, 제1 전단파 반사(718)의 라운드 트립이 시간 t2에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 도 7a의 예에서, 초음파 전단파 변환기의 중심 주파수는 5 ㎒이고, 각각의 초음파 펄스에 3개의 사이클들이 존재하여, 전단파 반사(718)에 대해 0.6 μs의 펄스 지속시간(720)을 생성한다. 도 7a의 예에서, 전단 플레이트는 15 mm의 두께를 갖는 유리로 제조되어, 5.4 mm/μs의 압축파 속도 및 3.4 mm/μs의 전단파 속도를 생성한다. 이들 속도들은 5.5 μs의 압축파 반사 라운드 트립 시간 t1 및 8.8 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 t2를 생성하여, 궁극적으로 2.7 μs의, 압축파 반사와 전단파 반사 사이의 간격(722)을 생성한다. 이러한 간격에 의해, 시간 윈도우들이 t1 = 5.5 μs의 압축파 반사 시간 및 t2 = 8.8 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 주위에서 선택되어, 이들 반사들을 다른 반사들로부터의 간섭이 최소인 상태에서 측정할 수 있다.

도 7b는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(700)을 예시한다. 도 7b에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 7b는 더 낮은 중심 주파수가 사용되는 것을 제외하고는 도 7a와 유사하다. 도 7b의 예에서, 초음파 전단파 변환기의 중심 주파수는 1.5 ㎒이어서, 전단파 반사(718)에 대해 2 μs의 펄스 지속시간(720)을 생성한다. 따라서, 도 7b에서의 반사파 펄스 지속시간들은 도 7a에서의 반사파 펄스 지속시간들보다 길며, 이는 일반적으로 반사 중첩의 가능성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 도 7b의 예에서, 1.3 μs의, 압축파 반사와 전단파 반사 사이의 간격(722)이 여전히 존재한다. 이러한 간격에 의해, (도 7a와 비교하여) 더 작은 시간 윈도우들이 t1 = 5.5 μs의 압축파 반사 시간 및 t2 = 8.8 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 주위에서 선택되어, 이들 반사들을 다른 반사들로부터의 간섭이 최소인 상태에서 측정할 수 있다.

도 7a 및 도 7b의 예들은 각각의 초음파 펄스에서의 사이클들의 수 및 초음파 자극 주파수의 선택이 반사파 지속시간들을 증가 또는 감소시키는 역할을 하여, 반사된 전단파 반사와 압축파 반사 사이의 더 짧거나 더 긴 시간 간격들을 생성할 수 있다는 일반적인 개념을 예시한다.

도 8a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 또 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(800)을 예시한다. 도 8a에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 8a의 예에서, 전단파 변환기는 시간 t0에서 전단파(804) 및 압축파(806) 둘 모두를 생성할 수 있고, 압축파의 더 빠른 속도 때문에, 압축파 반사(816)의 제1 라운드 트립이 시간 t1에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 이어서, 전단파(804)의 더 느린 속도 때문에, 전단파 반사(818)의 제1 라운드 트립이 시간 t2에서 전단파 변환기에서 다시 수신될 수 있다. 도 8a의 예에서, 초음파 전단파 변환기의 중심 주파수는 1.5 ㎒이고, 각각의 초음파 펄스에 3개의 사이클들이 존재하여, 전단파 반사(718)에 대해 2 μs의 펄스 지속시간(820)을 생성한다. 도 8a의 예에서, 전단 플레이트는 15 mm의 두께를 갖는 유리로 제조되어, 5.4 mm/μs의 압축파 속도 및 3.4 mm/μs의 전단파 속도를 생성한다. 이들 속도들은 5.5 μs의 압축파 반사 라운드 트립 시간 t1 및 8.8 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 t2를 생성하여, 궁극적으로 1.3 μs의, 압축파 반사와 전단파 반사 사이의 간격(822)을 생성한다. 이러한 간격에 의해, 시간 윈도우들이 t1 = 5.5 μs의 압축파 반사 시간 및 t2 = 8.8 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 주위에서 선택되어, 이들 반사들을 다른 반사들로부터의 간섭이 최소인 상태에서 측정할 수 있다.

도 8b는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 반사 및 압축파 반사가 시간 도메인에서 분리된 상태의 또 다른 기호로 표시된 전단파 변환기 반사파 타이밍 다이어그램(800)을 예시한다. 도 8b에 도시된 모든 파들, 진폭들 및 타이밍은 기호로 표시되고 축척에 맞게 도시되지 않은 것에 유의한다. 도 8b는, 더 얇은 유리 플레이트가 사용되어, 적절한 반사 간격을 유지시키기 위해 더 높은 중심 주파수의 사용을 필요로 하는 것을 제외하고는 도 8a와 유사하다. 도 8b의 예에서, 전단 플레이트는 1.5 mm의 두께를 갖는 유리로 제조되고, 초음파 전단파 변환기의 중심 주파수는 15 ㎒이다. 더 높은 중심 주파수와 조합된 더 얇은 감지 플레이트는 단지 0.55 μs의 압축파 반사 라운드 트립 시간 t1 및 단지 0.88 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 t2를 생성하며, 이는 일반적으로 반사 간격 시간을 감소시킬 수 있다. 그러나, 더 높은 중심 주파수는, 또한, 전단파 반사(818)에 대해 단지 0.2 μs의 펄스 지속시간(820)을 생성한다. 따라서, 도 8b에서의 반사파 펄스 지속시간들은 도 8a에서의 반사파 펄스 지속시간들보다 짧으며, 이는 일반적으로 반사 중첩의 가능성을 감소시킬 수 있다. 도 8b의 예에서, 0.13 μs의, 압축파 반사와 전단파 반사 사이의 간격(822)이 여전히 존재한다. 이러한 간격에 의해, (도 8a와 비교하여) 더 작은 시간 윈도우들이 t1 = 0.55 μs의 압축파 반사 시간 및 t2 = 0.88 μs의 전단파 반사 라운드 트립 시간 주위에서 선택되어, 이들 반사들을 다른 반사들로부터의 간섭이 최소인 상태에서 측정할 수 있다.

도 8a 및 도 8b의 예들은, 더 얇은 감지 플레이트들이 이용되어, 더 근접하게 이격된 전단파 반사 및 압축파 반사로서 더 짧은 반사 시간들을 생성함에 따라, 본 발명의 예들이, 초음파 전단파 변환기의 중심 주파수를 증가시켜 반사 펄스 폭을 단축시키고 전단파 및 압축파 시간 간격을 유지시킴으로써 보상할 수 있다는 일반적인 개념을 예시한다. 더 일반적으로, 주어진 감지 플레이트 재료는 특성 초음파 압축파 속도 및 특성 초음파 전단파 속도를 생성할 수 있다. 그 재료의 두께는 라운드 트립 반사 거리 및 또한 (그들의 알려진 속도들 때문에) 전단파 반사 및 압축파 반사의 타이밍을 결정하도록 선택될 수 있다. 따라서, 재료 및 그 재료의 두께는 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 선택될 수 있다.

따라서, 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b의 예들은, 감지 플레이트 두께 및 초음파 전단파 변환기 주파수의 신중한 선택에 의해, 압축파 반사와 전단파 반사 사이의 지속 시간들이 얻어져, 전단파 반사 및 압축파 반사의 진폭 또는 에너지가 다른 반사들로부터의 상당한 간섭 없이 결정될 수 있는 시간 윈도우들의 결정을 가능하게 할 수 있다는 것을 예시한다. 이어서, 이들 진폭들 또는 에너지 레벨들은 터치가 존재하는지 여부 및 물이 존재하는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다.

위에서 논의된 이전의 예들은 모두 제1 전단파 반사 및 제2 전단파 반사를 이용하여, 반사 진폭들 또는 에너지 레벨들 및 터치 또는 물의 존재를 결정하였다. 일부 예들에서, 제1 반사들은 유리할 수 있는데, 그 이유는 그 때에 발생하는 다른 반사들 또는 링잉(ringing)(예컨대, 다른 물체들 또는 계면들과 상호작용하고 변환기로 다시 반사되는, 변환기로부터의 불요파(spurious wave)들)이 없기 때문이다. 제1 반사들 이외의 반사들을 이용하는 것은, 또한, 감쇠된 신호들을 생성할 수 있는데, 그 이유는 2회 이상의 라운드 트립 반사들에 의해, 파들이 회절로 인해 다수의 표면들, 계면들 및 다른 결함들과 상호작용하였기 때문이다.

그러나, 일부 예들에서, 제2 또는 제3 반사들(또는 다른 후속 반사들)을 사용하는 것이 유익할 수 있다. 이들 반사들은 터칭 물체 또는 물에 더 민감할 수 있는데, 그 이유는 그들이 감지 플레이트의 상부 표면과 여러 번 상호작용하여, (파의 유형에 따라) 물체 또는 물에 의한 추가의 파 흡수를 야기하였을 것이기 때문이다. 게다가, 하류 반사들을 사용하는 것은 얇은 스택업들에 유익할 수 있는데, 그 이유는, 그러한 구성들에서, 제1 반사들을 식별하기 어렵게 만들 수 있는, 변환기 전자장치가 전송에서부터 여전히 링잉하고 있을 수 있는 경우, 그들 제1 반사들이 매우 신속하게 도달할 수 있기 때문이다. 그러나, 위에서 언급된 바와 같이, 다른 반사들로부터의 손상 없이 이들 하류 반사들을 측정하기 위한 기간들을 찾는 것은 어려울 수 있다.

본 발명의 예들에서, 감지 플레이트는, 여러 재료들 중에서도, 유리, 사파이어 결정, 플라스틱 및 금속으로부터 형성될 수 있다. 재료의 핵심 기준들은 초음파의 감쇠가 얼마나 발생할 것인지일 수 있다.

위에 제시된 본 발명의 예들이 단지 단일 초음파 전단파 변환기만을 예시하였지만, 본 발명의 다른 예들에서, 초음파 전단파 변환기들의 어레이가, 터치 또는 물의 존재를 결정할 뿐만 아니라 더 큰 표면들에 걸친 터치 또는 물의 위치를 결정하기 위해 채용될 수 있다.

도 9는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 전단파 변환기들(902)의 어레이를 포함하는 터치 감응형 표면(900)의 기호로 표시된 평면도를 예시한다. 도 9의 예에서, 초음파 전단파 변환기들(902)은 감지 플레이트(904) 아래에 위치된다. 터칭 물체(906) 아래에 위치된 초음파 전단파 변환기들(902)은 위에서 설명된 전단파 반사 및 압축파 반사를 사용하여 물체의 존재를 검출할 수 있다. 게다가, 물체(906)의 존재를 검출하는 그들 초음파 전단파 변환기들(902)의 알려진 위치들은, 물체의 위치(예컨대, 도심)를 계산하고 물체의 터치 경계들을 추정하는 데 추가로 사용될 수 있다. 유사하게, 수적(908) 아래에 위치된 초음파 전단파 변환기들(902)은 위에서 설명된 전단파 반사 및 압축파 반사를 사용하여 수적의 존재를 검출할 수 있다. 게다가, 액적(908)의 존재를 검출하는 그들 초음파 전단파 변환기들(902)의 알려진 위치들은, 액적의 위치(예컨대, 도심)를 계산하고 액적의 경계들을 추정하는 데 추가로 사용될 수 있다.

도 10은 본 발명의 예들에 따른, 초음파 워터-애그노스틱 터치 검출을 위한 흐름도(1000)를 예시한다. 도 10의 예에서, 1002에서, 전단파 및 압축파가 초음파 전단파 변환기에 의해 생성되고, 감지 플레이트를 통해 전파된다. 1004에서, 전단파 반사들 및 압축파 반사들을 수신하기 위한 별개의 시간 윈도우들이 식별된다. 1006에서, 전단파 반사들 및 압축파 반사들이 초음파 전단파 변환기에서 수신된다. 1008에서, 터치의 존재 또는 부재, 및 (존재하는 경우) 물의 존재가 수신된 전단파 반사 및 압축파 반사의 진폭들 또는 에너지 레벨들에 기초하여 결정될 수 있다.

선행하는 예들은 초음파 전단 변환기를 이용하여, 특정 자극 중심 주파수 및 스펙트럼을 갖는 전단파들 및 기생 압축파들을 특정 재료 유형 및 두께의 감지 플레이트를 통해 전파하여서, 그들 파들의 반사들을 분리하였다. 반사된 전단파들 및 반사된 기생 압축파들의 진폭들을 측정함으로써, 물체 또는 액체가 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부가 결정될 수 있다. 그러나, 아래에서 설명되는 본 발명의 다른 예들에서, 복수의 초음파 변환기들이, 감지 플레이트 내에서, 각각 상이한 공진 주파수로, 전단 비전파(정재) 파 및 압축 비전파(정재) 파 둘 모두를 생성하는 데 이용될 수 있다. 그들이 감지 플레이트 내에서 공진함에 따라 전단파 및 압축파의 진폭들(즉, 그들의 에너지 레벨들)을 측정함으로써, 물체 또는 액체가 감지 플레이트 상에 존재하는지 여부가 결정될 수 있다. 도 2의 기능 블록들은 아래에서 설명되는 본 발명의 예들을 구현하는 데 이용될 수 있다.

도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 변환기 어레이의 주요 층들을 예시한다. 도 11a는 본 발명의 예들에 따른, 압전 재료를 여기시키기 위한 제1 전도성 재료 층(1132)을 예시한다. 도 11a의 예에서, 제1 전도성 재료 층(1132)은 감지 플레이트의 배면 상에 형성될 수 있고, 행 전극들로서 패턴화될 수 있다. 터치 스크린을 형성하기 위해 디스플레이 위에서 초음파 감지가 이용될 때와 같은, 투명성이 요구되는 상황들에서, 제1 전도성 재료 층(1132)은, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명 전도성 재료일 수 있다. 도 11b는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 압축파 및 전단파를 생성하기 위한 피에조(piezo) 재료 층(1134)을 예시한다. 도 11b의 예에서, 피에조 재료 층(1134)은 제1 전도성 재료 층(1132) 상에 형성될 수 있다. 적어도 부분적인 투명성이 요구되는 상황들에서, 피에조 재료 층(1134)은, 예를 들어, 질화 알루미늄 또는 산화 아연과 같은 적어도 부분적으로 투명한 피에조 재료일 수 있다. 도 11c는 본 발명의 예들에 따른, 압전 재료를 여기시키기 위한 제2 전도성 재료 층(1136)을 예시한다. 도 11c의 예에서, 제2 전도성 재료 층(1136)은 피에조 재료 층(1134) 상에 형성될 수 있고, 열 전극들로서 패턴화될 수 있다. 투명성이 요구되는 상황들에서, 제2 전도성 재료 층(1136)은, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO)일 수 있다.

도 11d는 본 발명의 예들에 따른, 도 11a 내지 도 11c의 층들의 스택업의 평면도를 예시한다. 도 11d의 예에서, 제1 전도성 재료 층(1132)은 감지 플레이트(1138)의 배면 상에 형성될 수 있으며, 이의 에지들은, 선택적으로, 흑색 마스크로 코팅되고 플랜지로 종단될 수 있다. 피에조 층(도시되지 않음)은 제1 전도성 재료 층(1132) 상에 형성될 수 있고, 제2 전도성 재료 층(1136)은 피에조 층 상에 형성될 수 있다. 스택업이 도시되지 않은 접착제 층들 및 굴절률 정합 층들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제1 전도성 재료 층(1132) 및 제2 전도성 재료 층(1136)은, 흑색 마스크 영역에서 라우팅될 때, 구리와 같은 저저항 고전도율 재료로부터 형성될 수 있는 라우팅 트레이스들(1140)에 전기적으로 연결될 수 있다. 라우팅 트레이스들(1140)은 플렉스 회로(1142)로 라우팅될 수 있다. 이들 라우팅 트레이스들(1140)은, 제1 전도성 재료 층(1132)의 특정 행 및 제2 전도성 재료 층(1136)의 특정 열을 가로질러 AC 여기 신호들을 인가하여서, 그 행과 열의 교차부에 위치된 피에조 재료(1134)가 초음파 송신기로서 동작하고 그 교차부에서 전단파 또는 압축파를 생성하게 하는 데 이용될 수 있다. 게다가, 라우팅 트레이스들(1140)은, 그 행과 열의 교차부에 위치된 피에조 재료(1134)가 초음파 수신기로서 동작할 때, 제1 전도성 재료 층(1132)의 특정 행 및 제2 전도성 재료 층(1136)의 특정 열을 가로지르는 전압들을 검출하는 데 이용될 수 있다. 바꾸어 말하면, 행들 및 열들의 각각의 교차부에서, 초음파 변환기는 송신기 또는 수신기로서 활성화되어, 초음파 변환기들의 2차원 어레이를 형성할 수 있다.

도 11d의 스택업이 행/열 배열로 제1 전도성 재료 층(1132) 및 제2 전도성 재료 층(1136)을 예시하지만, 용어 "행" 및 "열"은 본 명세서에서 상호교환가능하게 사용될 수 있고, 대체로 직교하는 배열을 설명하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 각각의 변환기가 개별적으로 여기될 수 있는 픽셀화된 변환기 배열들 및 극좌표 변환기 배열들과 같은, 행/열 이외의 변환기 배열들이 또한 본 명세서에서 고려된다. 더욱이, 일부 예들에서, 초음파 변환기들은 용량성 터치 감지 배열들로서 선택적으로 그리고 동적으로 재구성될 수 있으며, 이때 제1 및 제2 전도성 재료 층들(1132, 1136)은 상호 정전용량 구동 및 감지 전극들, 또는, 또한 초음파 투과성인 적절한 유전체 재료에 의해 분리되는 경우, 자기 정전용량 전극들의 역할을 한다. 용량성 터치 감지를 선택적으로 제공하는 것은 근접(호버) 감지의 추가적인 능력을 가능하게 할 수 있다.

도 12a는 본 발명의 예들에 따른, 도 11d의 어레이 내의 2개의 초음파 변환기들의 단면도를 예시한다. 도 12a의 예에서, 폴링 방향(1240)을 갖는 피에조 재료(1234)(예컨대, 질화 알루미늄, 산화 아연 등)가 제1 전도성 재료 층(1232) 내의 행 전극과 제2 전도성 재료 층(1236) 내의 2개의 열 전극들 사이에 개재될 수 있다. 행 전극은 감지 플레이트(1238)(예컨대, 양호한 공진기인 전방 결정 유리 또는 다른 재료) 상에 형성될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 특정 두께를 갖는 감지 플레이트(1238) 내에 공진 전단파들을 생성하기 위해, 행 전극 및 둘 모두의 열 전극들은 감지 플레이트(1238)의 전단파 공진 주파수로 전단파들을 생성하기에 충분한 피에조 재료(1234)에서의 측방향(전단) 변위를 생성하는 주파수로 AC 여기 전압들을 수신할 수 있다. 압축 변위가, 또한, 동시에 (주로 푸아송 효과(Poisson effect) 때문에) 생성될 수 있지만, 전단파 여기 주파수가 감지 플레이트(1238)의 압축파 공진 주파수(예컨대, 0.5 ㎓)로부터 멀리 떨어져 있기 때문에, 최소의 압축파들이 생성될 수 있다. 특정 두께를 갖는 감지 플레이트(1238) 내에 공진 압축파들을 생성하기 위해, 행 전극 및 각각의 열 전극은 감지 플레이트(1238)의 압축 공진 주파수로 압축파들을 생성하기에 충분한 피에조 재료(1234)에서의 압축 변위를 생성하는 주파수로 AC 여기 전압들을 수신할 수 있다.

대체적으로 도 12a에 도시된 바와 같은 재료들 및 두께들의 주어진 스택업에 대해, 감지 플레이트(1238)에 대한 전단파 공진 주파수 및 상이한 압축파 공진 주파수는 감지 플레이트 내에 비전파 공진파들을 생성하는 것으로 결정될 수 있다. 비전파 파들은, 파들의 에너지를 감지 플레이트(1238)의 소정 영역 내에 있도록 제한하고 더 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지시키는 데 바람직할 수 있다. 전단파 및 압축파가 감지 플레이트(1238)를 따라 수평으로 전파될 수 있도록 주파수들이 선택되는 경우, 전파 파들은 플레이트의 단부들로부터 다시 변환기(들)로 반사되고 원하지 않는 기준 에너지 레벨 변화를 야기할 수 있다. 이를 회피하기 위해, 일부 예들에서, 전단파 공진 주파수는 0에 가까운 군속도(group velocity)(즉, 비전파 전단파)를 생성하는 전단 수평(SH) 파 모드의 특정 주파수를 선택함으로써 경험적으로 결정될 수 있다. 유사하게, 압축파 공진 주파수는 0에 가까운 군속도(즉, 비전파 압축파)를 생성하는 특정 차수(예컨대, 1차 램파(Lamb wave)들)의 대칭(S) 또는 비대칭(A) 모드의 특정 주파수를 선택함으로써 경험적으로 결정될 수 있다.

위의 도 8b와 관련하여 논의된 전파 전단파 및 압축파의 이전의 예들에서, 더 얇은 감지 플레이트들이 적절한 반사 간격을 유지시키기 위해 더 높은 변환기 중심 주파수들을 필요로 한다는 것에 유의하였다. 비전파 전단파 및 압축파를 이용하는 본 예들은 또한 더 얇은 감지 플레이트들로부터 이익을 얻을 수 있지만, 더 높은 주파수들은 도 11a 내지 도 11d의 예들에서 더 문제가 되며, 여기에서 고저항 ITO가 원하는 투명성을 제공하기 위해 초음파 변환기들을 형성하는 데 이용될 수 있다. ITO의 더 높은 저항은 고주파수 콘텐츠를 걸러 낼 수 있다. 따라서, 주파수가 낮고 또한 0에 가까운 군속도를 생성하는(즉, 전파되지 않음) 전단파 또는 압축파를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.

일반적으로, 주어진 감지 플레이트 재료 및 두께에 대해, 전단 이미징에 적절한 비전파 정재파를 감지 플레이트 내에 제공하기 위해 감지 플레이트에서의 전단 공진 주파수가 (예컨대, 경험적으로) 결정될 수 있다. 유사하게, 주어진 감지 플레이트 재료 및 두께에 대해, 압축 이미징을 위한 최대 진폭의 비전파 정재파를 변환기 영역 내측에 제공하기 위해 압축 공진 주파수가 (예컨대, 경험적으로) 결정될 수 있다. 게다가, 스택업 내의 모든 층들의 기계적 특성들이 알려져 있는 경우, 이론적 계산들이 비전파 전단파 및 압축파를 식별하는 데 이용될 수 있다. 기계적 특성들이 알려져 있을 때, 전단 수평 및 램 유도 파 분산 곡선들이 계산될 수 있고, 0에 가까운 군속도들을 갖는 주파수들에서의 모드들이 선택될 수 있다.

도 12b는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파들의 선택을 위한 예시적인 전단 수평 분산 곡선들을 예시한다. 도 12b의 예에서, 제1 내지 제5 비전파 전단 수평파들에 대한 전단 수평 분산 곡선들 SH1 내지 SH5가 주어진 재료 두께(x축)에 대해 다양한 주파수들에 걸쳐 플로팅되어 있다. 곡선들 SH1 내지 SH5에 대해, 군속도(y축)가 주파수 범위들 f _SH1 내지 f _SH5 에서 각각 0에 근접한다는 것을 볼 수 있다. 일례에서, 제1 모드 SH1 및 주파수 범위 f _SH1 내의 전단 공진 주파수는 위에서 논의된 ITO의 높은 저항을 고려하여 0에 가까운 군속도를 생성하도록 선택될 수 있다.

도 12c는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 압축파들의 선택을 위한 예시적인 램/압축 분산 곡선들을 예시한다. 도 12c의 예에서, 대칭 0차 및 1차 모드들에 대한 램/압축 분산 곡선들 S₀ 및 S₁, 및 비대칭 0차 및 1차 모드들에 대한 램/압축 분산 곡선들 A₀ 및 A₁이 주어진 재료 두께(x축)에 대해 다양한 주파수들에 걸쳐 플로팅되어 있다. 곡선들 A₁ 및 S₁에 대해, 군속도(x축)가 주파수 범위들 f _A1 및 f _S1 에서 각각 0에 근접한다는 것을 볼 수 있다. 일례에서, 비대칭 1차 모드 A₁ 및 주파수 범위 f _A1 내의 압축 공진 주파수는 위에서 논의된 ITO의 높은 저항을 고려하여 0에 가까운 군속도를 생성하도록 선택될 수 있다.

일부 예들에서, 감지 플레이트(1238)는 d1 = 500 마이크로미터의 두께를 갖는 전방 결정(예컨대, 유리) 재료로부터 형성될 수 있고, 제1 전도성 재료 층(1232)은 d2 = 0.2 마이크로미터의 두께를 가질 수 있으며, 피에조 재료(1234)는 d3 = 2 마이크로미터의 두께를 가질 수 있고, 제2 전도성 재료 층(1236)은 d4 = 0.2 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 이들 치수들에 의해, 약 3 ㎒(예컨대, 3.28 ㎒)의 전단파 공진 주파수 및 약 5 ㎒(예컨대, 5.2 ㎒)의 압축파 공진 주파수가 선택될 수 있다. 이전의 예들에서 생성된 전파 전단파 및 압축파의 더 넓은 대역의 주파수들과 비교하여, 이들 전단파 및 압축파 공진 주파수들은 훨씬 더 좁은 대역(예컨대, 약 1 내지 5%의 비대역폭(fractional bandwidth))일 수 있다. 변환기들의 쌍들은 3.28 ㎒ 여기 신호로 구동되어 감지 플레이트(1238) 내에 공진 전단파들을 생성할 수 있고, 공진 전단파들의 진폭은 감지 플레이트 상에 물체 또는 액체가 존재하는지(또는 그들 중 어느 것도 존재하지 않는지) 여부를 결정하는 데 사용하기 위해 캡처될 수 있다. 상이한 시간에, 각각의 변환기는 5.2 ㎒ 여기 신호로 구동되어 감지 플레이트(1238) 내에 공진 압축파들을 생성할 수 있고, 공진 압축파들의 진폭은 감지 플레이트 상에 물체 또는 액체가 존재하는지(또는 그들 중 어느 것도 존재하지 않는지) 여부를 (공진 전단파들의 진폭들과 함께) 결정하는 데 사용하기 위해 캡처될 수 있다.

도 13a는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파 및 압축파 이미징의 개념을 예시한다. 도 13a의 예에서, 제1 전도성 재료 층, 피에조 재료 층, 및 제2 전도성 재료 층은 집합적으로 변환기 층(1342)으로서 도시되어 있으며, 이는 감지 플레이트(1338)의 후부에 부착된다. 선도(1344)는 (아래에서 더 상세히 논의될) 수신기들로서 구성되는 변환기들에 의해 검출되는 바와 같은, 감지 플레이트(1338) 내에서 공진하는 전단파들의 진폭(에너지 레벨)을 표현한다. 선도(1346)는 (아래에서 더 상세히 논의될) 수신기들로서 구성되는 변환기들에 의해 검출되는 바와 같은, 감지 플레이트(1338) 내에서 공진하는 압축파들의 진폭(에너지 레벨)을 표현한다. 위치 x0에 도시된 바와 같이, 어떠한 물체(1348)(예컨대, 손가락) 또는 액체(1350)(예컨대, 물)도 감지 플레이트(1338)와 접촉하지 않을 때, 전단파 및 압축파 둘 모두의 진폭들은 각각 (비교적) 높은 전압 레벨들(1354-S, 1354-C)로 유지될 수 있으며, 이들은 각각 전단파 및 압축파 임계 전압 레벨(1352-S, 1352-C) 초과이다. 위치 x1에 도시된 바와 같이, 물체(1348)가 감지 플레이트(1338)와 접촉할 때, 물체는 공진 전단파 및 압축파의 에너지 중 일부를 흡수할 수 있고, 그 결과, 전단파 및 압축파 둘 모두의 진폭들은 각각 (비교적) 낮은 전압 레벨들(1356-S, 1356-C)로 떨어질 수 있으며, 이들은 각각 전단파 및 압축파 임계 전압 레벨들(1352-S, 1352-C) 미만이다. 위치 x2에 도시된 바와 같이, 액체(1350)가 감지 플레이트(1338)와 접촉할 때, 액체는 공진 압축파들의 에너지 중 일부를 흡수할 수 있고, 그 결과, 압축파들의 진폭은 (비교적) 낮은 전압 레벨(1358-C)로 떨어질 수 있으며, 이는 압축파 임계 전압 레벨(1352-C) 미만이다. 그러나, 액체(1350)는 공진 전단파의 에너지 중 많은 부분을 흡수하지 않을 수 있고, 그 결과, 전단파들의 진폭은 1358-S로 단지 소량 감소되어, 전단파 임계 전압 레벨(1352-S) 초과 상태로 유지될 수 있다. 일부 예들에서, 전단파 진폭들은 어떠한 물체(1348) 또는 액체(1350)도 존재하지 않는지, 물체가 존재하는지, 또는 액체가 존재하는지를 결정하는 데 단독으로 이용될 수 있다. 그러나, 다른 예들에서, 전단파 및 압축파 둘 모두의 진폭들을 동일한 변환기 위치에서 임계 전압 레벨들(1352-S, 1352-C)과 비교함으로써, 어떠한 물체(1348) 또는 액체(1350)도 존재하지 않는지, 물체가 존재하는지, 또는 액체가 존재하는지에 대한 더 신뢰성 있는 결정이 이루어질 수 있다. 도 13a가 단지 하나의 전단파 임계치(1352-S) 및 하나의 압축파 임계치(1352-C)만을 예시하지만, 다른 예들에서, 에너지 레벨들이 신뢰를 갖고 식별되기에 충분히 높거나 낮은 것을 보장하기 위해 다수의 전단파 임계치들 및/또는 다수의 압축파 임계치들이 채용될 수 있다.

감지 플레이트(1338)의 표면을 따른 초음파 변환기들의 2차원 어레이 내의 각각의 초음파 변환기 위치에서, 선도(1344)에 도시된 전단 이미지와 선도(1346)에 도시된 압축 이미지를 비교하기 위해, 2개의 이미지들이 캡처될 수 있다. 전단 이미지는 2차원 어레이 내의 각각의 변환기에서 전단파 진폭 정보를 획득함으로써 캡처될 수 있고, 압축 이미지는 2차원 어레이 내의 각각의 변환기에서 압축파 진폭 정보를 획득함으로써 캡처될 수 있다. 일부 예들에서, 완전한 전단파 이미지가 캡처될 수 있고, 이어서 완전한 압축파 이미지가 캡처될 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다. 그러나, 소정 프레임 레이트(예컨대, 60 ㎐)가 요구되는 경우, 전단 이미지 및 압축 이미지의 별개의 캡처는 실용적이지 않을 수 있다. 다른 예들에서, 변환기 어드레싱, 구성 및 여기에 있어서의 효율성들을 이용하기 위해, 전단 이미지 및 압축 이미지가 다음 변환기로 이동하기 전에 2개의 상이한 전단 및 압축 공진 주파수들로 하나의 변환기에서 얻어질 수 있거나, 또는 변환기들의 단일 행(또는 열)을 따른 전단 이미지 및 압축 이미지가 다음 행(또는 열)으로 이동하기 전에 얻어질 수 있다.

도 13b는 본 발명의 예들에 따른, 비전파 전단파 및 압축파 이미징의 기호로 표시된 평면도를 예시한다. 도 13b에 제공된 4가지 예들 각각에서, 물체 및 액체가 감지 플레이트를 터치하고 있다. 상부 좌측 예에서, 전단파가 감지 플레이트 내에서 공진하고 있고, 어떠한 물체 또는 액체도 존재하지 않는 감지 플레이트의 영역들은 1354-S의 전단파 진폭을 생성할 수 있다. 터칭 물체의 위치에서, 1356-S의 전단파 진폭이 생성될 수 있고, 액체의 위치에서, 1358-S의 전단파 진폭이 생성될 수 있다. 하부 좌측 예에서, 압축파가 감지 플레이트 내에서 공진하고 있고, 어떠한 물체 또는 액체도 존재하지 않는 감지 플레이트의 영역들은 1354-C의 압축파 진폭을 생성할 수 있다. 터칭 물체의 위치에서, 1356-C의 압축파 진폭이 생성될 수 있고, 액체의 위치에서, 1358-C의 압축파 진폭이 생성될 수 있다. (1356-S의 전단파 진폭이 생성되는) 전단 이미지 내의 터칭 물체의 영역 및 (1356-C의 압축파 진폭이 생성되는) 압축 이미지 내의 터칭 물체의 영역이 손가락 또는 엄지손가락으로부터 예상될 것보다 큰 경우, 일부 예들에서, 손바닥 터치가 검출될 수 있다. 상부 우측 예에서, 전단파가 감지 플레이트 내에서 공진하고 있고, 전체 감지 플레이트가 액체 내에 잠겨 있다. 어떠한 물체도 존재하지 않는 감지 플레이트의 영역들은 1358-S의 전단파 진폭을 생성할 수 있다. 터칭 물체의 위치에서, 1356-S의 전단파 진폭이 생성될 수 있다. 하부 우측 예에서, 압축파가 감지 플레이트 내에서 공진하고 있고, 전체 감지 플레이트가 액체 내에 잠겨 있다. 어떠한 물체도 존재하지 않는 감지 플레이트의 영역들은 1358-C의 압축파 진폭을 생성할 수 있다. 터칭 물체의 위치에서, 1356-C의 압축파 진폭이 생성될 수 있다.

일부 예들에서, 어떠한 물체 또는 액체도 존재하지 않는 감지 플레이트의 영역들은 감지 플레이트가 액체 내에 침지되어 있는지 여부를 결정하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, (터칭 손가락 또는 액적에 대해 예상될 것보다 큰) 감지 플레이트의 사전결정된 영역이 1354-S의 전단파 진폭 및 1354-C의 압축파 진폭을 갖는 것으로 결정되는 경우, 감지 플레이트가 공기 중에 있다고 추가로 결정될 수 있다. 반면에, 감지 플레이트의 사전결정된 영역이 1358-S의 전단파 진폭 및 1358-C의 압축파 진폭을 갖는 것으로 결정되는 경우, 감지 플레이트가 액체 내에 침지되어 있다고 추가로 결정될 수 있다. 도 13b에 도시되어 있지 않지만, 감지 플레이트의 사전결정된 영역이 1356-S의 전단파 진폭 및 1356-C의 압축파 진폭을 갖는 것으로 결정되는 경우, 큰 물체(예컨대, 손바닥, 볼 등)가 감지 플레이트를 터치하고 있다고 추가로 결정될 수 있다. 이들 추가 결정들은, 예를 들어, 추가 기능들 및 동작들을 트리거하기 위해 다양한 알고리즘들에서 사용될 수 있다.

도 14a는 본 발명의 예들에 따른, 별개의 변환기들을 사용한 전단파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다. 도 14a의 예에서, 피에조 재료(1434)(예컨대, 질화 알루미늄, 산화 아연 등)가 제1 전도성 재료 층(1432) 내의 행 전극들과 제2 전도성 재료 층(1436) 내의 열 전극들 사이에 개재될 수 있다. 제1 전도성 재료 층(1432)은 감지 플레이트(1438)(예컨대, 양호한 공진기인 전방 결정 유리 또는 다른 재료) 상에 형성될 수 있다. 기간 t0(상부 단면도)에서, 제1 전도성 재료 층(1432) 내의 단일 행 전극 및 제2 전도성 재료 층(1436) 내의 2개의 인접한 열 전극들(1460, 1462)은 초음파 송신기로서 구성되고 AC 여기 신호들로 구동되어 감지 플레이트(1438) 내에 공진 전단파들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, AC 여기는 협대역을 갖는 가우스 변조된 사인파 버스트(Gaussian modulated sinusoidal burst)와 유사하게 전압이 0으로부터 최대 진폭 전압으로 램프되는 협대역폭 신호일 수 있다. 동일한 신호로 2개의 인접한 열 전극들(1460, 1462)을 여기시키는 것은, 도 14a의 상부 도면에 파선들로 나타낸 바와 같이, 열 전극(1460)의 최좌측 에지 및 열 전극(1462)의 최우측 에지에서 최대인 전단파 에너지의 생성을 가져올 수 있다. 전단파 공진은, 주로, 피에조 재료(1434)의 횡방향 압전 계수(d31)를 사용하여 생성될 수 있는데, 이는 AC 전압이 인가될 때 변환기가 측방향으로 팽창 및 압축되게 할 수 있다. 이러한 여기 모드는 반대 극성을 갖는 변환기의 양 단부들에서 최대 진폭이 발생하는 전단파를 위한 양극성 형태를 생성할 수 있다. 2개의 인접한 열 전극들(1460, 1462)을 이용하는 것은, 외부 에지들에서의 전단파 에너지가 충분히 멀리 떨어져 있어서, 전단파 에너지가 기호로 예시된 영역들(1470, 1472) 내에 존재하고 상쇄되지 않게 하는 것을 보장할 수 있다. 충분한 거리를 유지시키기 위해, 일부 예들에서, 각각의 열 전극(1460, 1462)의 폭은 약 2.49 mm이어서, 약 5 mm의 총 에지 간격을 생성할 수 있다.

전단파 에너지가 열 전극(1460)의 최좌측 에지 및 열 전극(1462)의 최우측 에지에서 최대일 수 있고 영역들(1470, 1472) 내에 존재할 수 있기 때문에, 열 전극들(1460, 1462)의 양쪽 측부 상의 열 전극들(1464, 1466) 및 단일 행 전극은 초음파 수신기들로서 구성되어, 감지 플레이트(1438) 내의 공진 전단파들로부터의 진동들을 검출하고(즉, 영역들(1470, 1472)에 기호로 도시된 전단파 에너지 레벨들을 검출하고) 공진 전단파 진폭들을 나타내는 전압들을 생성할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 감지 플레이트(1438) 상에 존재하는 물체로 인한 진폭 감소들이 초음파 수신기들에 의해 검출될 수 있다.

기간 t1(도 14a의 하부 단면도)에서, 열 전극들은, 인접한 열 전극들(1462, 1466)이 이제 초음파 송신기로서 작용하고, 열 전극들(1460, 1474)이 초음파 수신기들로서 작용하도록 재구성될 수 있다. 후속 기간들(예컨대, t2, t3, t4 등)에서, 열 전극들은 각각의 열 전극과 단일 행 전극의 교차부에 위치된 모든 변환기(즉, 초음파 "터치 픽셀")가 하나 이상의 전단파 진폭들을 캡처할 때까지 특정 방향(예컨대, x 방향)을 따라 순차적으로 재구성될 수 있다. 이어서, 완전한 2차원 전단파 이미지가 캡처될 때까지 상이한 행 전극들에 대해(예컨대, y 방향으로) 도 14a에 예시된 순차적인 프로세스가 반복될 수 있다. 도 14a의 시퀀스로부터 명백한 바와 같이, 다수의 초음파 터치 픽셀들이 상이한 시간들에 전단파 진폭들을 캡처할 수 있다(예컨대, 열 전극(1466)과 연관된 픽셀은 기간들 t0 및 t3에서 전단파 진폭들을 캡처할 수 있음). 따라서, 일부 예들에서, 다수의 전단파 진폭들이 특정 터치 픽셀에서 캡처되었을 때, 그들 진폭들은 평균화되거나 달리 프로세싱되어 그 터치 픽셀에서의 단일 진폭 값을 생성할 수 있다.

도 14b는 본 발명의 예들에 따른, 별개의 변환기들을 사용한 압축파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다. 기간 t0(상부 단면도)에서, 제1 전도성 재료 층(1432) 내의 단일 행 전극 및 제2 전도성 재료 층(1436) 내의 단일 열 전극(1460)은 초음파 송신기로서 구성되고 AC 여기 신호들로 구동되어 감지 플레이트(1438) 내에 공진 압축파들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, AC 여기는 협대역을 갖는 가우스 변조된 사인파 버스트와 유사하게 전압이 0으로부터 최대 진폭 전압으로 램프되는 협대역폭 신호일 수 있다. 열 전극(1460)을 여기시키는 것은, 도 14b의 상부 도면에 파선들로 나타낸 바와 같이 열 전극(1460)의 중심에서 최대이고, 또한, 기호로 예시된 영역들(1470, 1472) 내에 존재하는 압축파 에너지의 생성을 가져올 수 있다.

압축파 에너지가 열 전극(1460)의 중심에서 최대일 수 있고 영역들(1470, 1472) 내에 존재할 수 있기 때문에, 열 전극(1460)의 양쪽 측부 상의 열 전극들(1464, 1462) 및 단일 행 전극은 초음파 수신기들로서 구성되어, 감지 플레이트(1438) 내의 공진 압축파들로부터의 진동들을 검출하고(즉, 영역들(1470, 1472)에 기호로 도시된 압축파 에너지 레벨들을 검출하고) 공진 압축파 진폭들을 나타내는 전압들을 생성할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 감지 플레이트(1438) 상에 존재하는 물체 또는 액체로 인한 진폭 감소들이 초음파 수신기들에 의해 검출될 수 있다.

기간 t1(도 14b의 하부 단면도)에서, 열 전극들은, 열 전극(1462)이 이제 초음파 송신기로서 작용하고, 열 전극들(1460, 1466)이 초음파 수신기들로서 작용하도록 재구성될 수 있다. 후속 기간들(예컨대, t2, t3, t4 등)에서, 열 전극들은 각각의 열 전극과 단일 행 전극의 교차부에 위치된 모든 변환기(즉, 초음파 "터치 픽셀")가 하나 이상의 압축파 진폭들을 캡처할 때까지 특정 방향(예컨대, x 방향)을 따라 순차적으로 재구성될 수 있다. 이어서, 완전한 2차원 압축파 이미지가 캡처될 때까지 상이한 행 전극들에 대해(예컨대, y 방향으로) 도 14b에 예시된 순차적인 프로세스가 반복될 수 있다. 도 14b의 시퀀스로부터 명백한 바와 같이, 다수의 초음파 터치 픽셀들이 상이한 시간들에 전단파 진폭들을 캡처할 수 있다(예컨대, 열 전극(1462)과 연관된 픽셀은 기간들 t0 및 t2에서 전단파 진폭들을 캡처할 수 있음). 따라서, 일부 예들에서, 다수의 압축파 진폭들이 특정 터치 픽셀에서 캡처되었을 때, 그들 진폭들은 평균화되거나 달리 프로세싱되어 그 터치 픽셀에서의 단일 진폭 값을 생성할 수 있다.

일부 예들에서, 본 명세서에서 커프(kerf)로 지칭되는, 도 14a 및 도 14b의 인접한 행 및 열 전극들 사이의 갭들(1468)은 초음파 수신기들이 공진 전단파 및 압축파의 에너지를 측정할 때의 타이밍에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 도 14a에서, 약 50 마이크로미터 미만의 커프(1468)를 갖는 근접하게 이격된 전극들은 초음파 송신기의 일부로서 구성된 열 전극(1460)과 초음파 수신기의 일부로서 구성된 열 전극(1464) 사이의 크로스토크(crosstalk)를 초래할 수 있다. 초음파 송신기의 일부로서 구성된 열 전극(1462)과 초음파 수신기의 일부로서 구성된 열 전극(1466) 사이에 유사한 크로스토크가 존재할 수 있다. 크로스토크의 가능성 때문에, 일부 예들에서, 커프가 약 50 마이크로미터 미만일 때, 초음파 수신기들은 초음파 송신기들이 공진 전단파 또는 압축파 생성을 중지한 후에만 공진 전단파 또는 압축파 에너지를 검출하도록 구성될 수 있다. 다른 예들에서, 커프가 약 50 마이크로미터 초과일 때, 크로스토크의 가능성은 감소될 수 있고, 초음파 수신기들은 초음파 송신기들이 전단파 또는 압축파를 생성하고 있는 것과 동시에 공진 전단파 또는 압축파 에너지를 검출하도록 구성될 수 있다. 50 마이크로미터 미만의 커프를 갖는 행 전극 및 열 전극의 추가의 이점은, 50 마이크로미터 초과의 커프는 바람직하지 않은 시각적 아티팩트들을 생성할 수 있는 반면, 전극들 사이의 이들 작은 갭들은 터치 스크린 응용들에 이용될 때 개선된 광학적 균일성을 제공한다는 것이다.

도 15a는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 송신기들이 공진 전단파 생성을 중지한 후에 공진 전단파 에너지를 검출하도록 구성된 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다. 도 15a의 예에서, 송신기들 및 수신기들을 분리하는 커프는 약 10 마이크로미터이고, 크로스토크의 가능성 때문에, 송신기는 송신 윈도우(1574) 동안에만 AC 여기 신호들로 구동된다. 수신 윈도우(1576) 동안, 공진 전단파는 송신기 여기 신호의 부재 시에도 감지 플레이트 내에서 계속 링잉할 수 있다. 신호가 비교적 장기간에 걸쳐 느리게 감쇠하기 때문에, 수신기는 수신 윈도우(1576) 동안 전단파 에너지를 검출할 수 있다.

도 15b는 본 발명의 예들에 따른, 도 15a의 수신 윈도우(1576) 동안 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다. 도 15b의 예에서, 수신 윈도우 동안, 어떠한 물체도 존재하지 않을 때 더 큰 공진 전단파 진폭(1578)이 검출될 수 있고, 물체가 존재할 때 더 작은 공진 전단파 진폭(1580)이 검출될 수 있다. 도 15b에 도시되어 있지 않지만, 진폭(1578)보다 약간 더 작은 공진 전단파 진폭이, 또한, 액체가 존재할 때 검출될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이들 진폭들은 어떠한 물체도 존재하지 않는지, 물체가 존재하는지, 또는 액체가 존재하는지를 결정하는 데 이용될 수 있다.

도 15c는 본 발명의 예들에 따른, 초음파 송신기들이 공진 전단파들을 생성하고 있는 동안 공진 전단파 에너지를 검출하도록 구성된 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다. 바꾸어 말하면, 송신 윈도우 및 수신 윈도우는 시간이 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다. 도 15c의 예에서, 송신기들 및 수신기들을 분리하는 커프는 약 50 마이크로미터이고, 크로스토크의 감소된 가능성 때문에, 동일한 송신/수신 윈도우(1582) 동안 수신기들이 전단파 진폭들을 검출하고 있는 동안에 송신기는 공진 전단파들을 생성할 수 있다. 송신/수신 윈도우(1582) 동안, 어떠한 물체도 존재하지 않을 때 더 큰 공진 전단파 진폭(1578)이 검출될 수 있고, 물체가 존재할 때 더 작은 공진 전단파 진폭(1580)이 검출될 수 있다. 도 15b에 도시되어 있지 않지만, 진폭(1578)보다 약간 더 작은 공진 전단파 진폭이, 또한, 액체가 존재할 때 검출될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이들 진폭들은 어떠한 물체도 존재하지 않는지, 물체가 존재하는지, 또는 액체가 존재하는지를 결정하는 데 이용될 수 있다.

도 15a 내지 도 15c가 공진 전단파들의 생성 및 측정과 관련하여 설명되지만, 동일한 원리들이 공진 압축파들의 생성 및 측정에 적용될 수 있다.

도 16a는 본 발명의 예들에 따른, 동일한 변환기를 사용한 전단파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다. 도 16a의 예에서, 피에조 재료(1634)(예컨대, 질화 알루미늄, 산화 아연 등)가 제1 전도성 재료 층(1632) 내의 행 전극들과 제2 전도성 재료 층(1636) 내의 열 전극들 사이에 개재될 수 있다. 제1 전도성 재료 층(1632)은 감지 플레이트(1638)(예컨대, 양호한 공진기인 전방 결정 유리 또는 다른 재료) 상에 형성될 수 있다. 기간 t0(상부 단면도)에서, 제1 전도성 재료 층(1632) 내의 단일 행 전극 및 제2 전도성 재료 층(1636) 내의 2개의 인접한 열 전극들(1660, 1662)은 초음파 송신기로서 구성되고 AC 여기 신호들로 구동되어 감지 플레이트(1638) 내에 공진 전단파들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, AC 여기는 협대역을 갖는 가우스 변조된 사인파 버스트와 유사하게 전압이 0으로부터 최대 진폭 전압으로 램프되는 협대역폭 신호일 수 있다. 동일한 신호로 2개의 인접한 열 전극들(1660, 1662)을 여기시키는 것은, 도 16a에 파선들로 나타낸 바와 같이, 열 전극(1660)의 최좌측 에지 및 열 전극(1662)의 최우측 에지에서 최대인 전단파 에너지의 생성을 가져올 수 있다. 2개의 인접한 열 전극들(1660, 1662)을 이용하는 것은, 외부 에지들에서의 전단파 에너지가 충분히 멀리 떨어져 있어서, 전단파 에너지가 상쇄되지 않게 하는 것을 보장할 수 있다. 충분한 거리를 유지시키기 위해, 일부 예들에서, 각각의 열 전극(1660, 1662)의 폭은 약 2.49 mm이어서, 약 5 mm의 총 에지 간격을 생성할 수 있다.

전단파 에너지가 열 전극(1660)의 최좌측 에지 및 열 전극(1662)의 최우측 에지에서 최대일 수 있기 때문에, 공진 전단파 생성이 중지된 후에, 열 전극(1660)은 초음파 수신기로서 재구성되어, 감지 플레이트(1638) 내의 공진 전단파들로부터의 진동들을 검출하고 공진 전단파 진폭들(전단파 에너지 레벨들)을 나타내는 전압들을 생성할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 감지 플레이트(1638) 상에 존재하는 물체로 인한 진폭 감소들이 초음파 수신기들에 의해 검출될 수 있다.

기간 t1(도 16a의 하부 단면도)에서, 열 전극들은, 인접한 열 전극들(1662, 1666)이 이제 초음파 송신기로서 작용하고, 공진 전단파 생성이 중지된 후에, 열 전극(1662)이 초음파 수신기로서 재구성될 수 있도록 재구성될 수 있다. 후속 기간들(예컨대, t2, t3, t4 등)에서, 열 전극들은 각각의 열 전극과 단일 행 전극의 교차부에 위치된 모든 변환기(즉, 초음파 "터치 픽셀")가 하나 이상의 전단파 진폭들을 캡처할 때까지 특정 방향(예컨대, x 방향)을 따라 순차적으로 재구성될 수 있다. 이어서, 완전한 2차원 전단파 이미지가 캡처될 때까지 상이한 행 전극들에 대해(예컨대, y 방향으로) 도 16a에 예시된 순차적인 프로세스가 반복될 수 있다.

도 16b는 본 발명의 예들에 따른, 동일한 변환기를 사용한 압축파 생성 및 검출의 단면도를 예시한다. 기간 t0(상부 단면도)에서, 제1 전도성 재료 층(1632) 내의 단일 행 전극 및 제2 전도성 재료 층(1636) 내의 단일 열 전극(1660)은 초음파 송신기로서 구성되고 AC 여기 신호들로 구동되어 감지 플레이트(1638) 내에 공진 압축파들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, AC 여기는 협대역을 갖는 가우스 변조된 사인파 버스트와 유사하게 전압이 0으로부터 최대 진폭 전압으로 램프되는 협대역폭 신호일 수 있다. 열 전극(1660)을 여기시키는 것은, 도 16b에 파선들로 나타낸 바와 같이, 열 전극(1660)의 중심에서 최대인 압축파 에너지의 생성을 가져올 수 있다.

압축파 에너지가 열 전극(1660)의 중심에서 최대일 수 있기 때문에, 공진 압축파 생성이 중지된 후에, 열 전극(1660)은 초음파 수신기로서 재구성되어, 감지 플레이트(1638) 내의 공진 압축파들로부터의 진동들을 검출하고 공진 압축파 진폭들(압축파 에너지 레벨들)을 나타내는 전압들을 생성할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 감지 플레이트(1638) 상에 존재하는 물체 또는 액체로 인한 진폭 감소들이 초음파 수신기들에 의해 검출될 수 있다.

기간 t1(도 16b의 하부 단면도)에서, 열 전극들은, 열 전극(1662)이 이제 초음파 송신기로서 작용하고, 공진 압축파 생성이 중지된 후에, 열 전극(1662)이 초음파 수신기로서 재구성될 수 있도록 재구성될 수 있다. 후속 기간들(예컨대, t2, t3, t4 등)에서, 열 전극들은 각각의 열 전극과 단일 행 전극의 교차부에 위치된 모든 변환기(즉, 초음파 "터치 픽셀")가 하나 이상의 압축파 진폭들을 캡처할 때까지 특정 방향(예컨대, x 방향)을 따라 순차적으로 재구성될 수 있다. 이어서, 완전한 2차원 압축파 이미지가 캡처될 때까지 상이한 행 전극들에 대해(예컨대, y 방향으로) 도 16b에 예시된 순차적인 프로세스가 반복될 수 있다.

도 17a는 본 발명의 예들에 따른, 전단파 또는 압축파 생성 및 검출 둘 모두를 수행하도록 구성된 초음파 변환기에서 수신된 신호를 예시한다. 도 16a 및 도 16b에 대응하는 도 17a의 예에서, 초음파 변환기는 송신기로서 구성되고, 송신 윈도우(1774) 동안에만 AC 여기 신호들로 구동된다. 이어서, 변환기는 수신기로서 재구성될 수 있고, 수신 윈도우(1776) 동안, 공진파는 송신기 여기 신호의 부재 시에도 감지 플레이트 내에서 계속 링잉할 수 있다. 신호가 비교적 장기간에 걸쳐 느리게 감쇠하기 때문에, 수신기는 수신 윈도우(1776) 동안 전단파 에너지를 검출할 수 있다.

도 17b는 본 발명의 예들에 따른, 도 17a의 수신 윈도우(1776) 동안 초음파 수신기에서 수신된 신호를 예시한다. 도 17b의 예에서, 수신 윈도우 동안, 어떠한 물체도 존재하지 않을 때 더 큰 공진파 진폭(1778)이 검출될 수 있고, 물체가 존재할 때 더 작은 공진파 진폭(1780)이 검출될 수 있다. 도 17b에 도시되어 있지 않지만, 진폭(1778)보다 약간 더 작은 공진파 진폭이, 또한, 액체가 존재할 때 검출될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 이들 진폭들은 어떠한 물체도 존재하지 않는지, 물체가 존재하는지, 또는 액체가 존재하는지를 결정하는 데 이용될 수 있다.

도 18은 본 발명의 예들에 따른, 비전파(공진) 전단파 및 압축파를 사용하여 워터-애그노스틱 터치를 수행하기 위한 흐름도를 예시한다. 도 18의 예에서, 1882에서, 공진 전단파들이 생성되고, 전단 이미지를 캡처하는 데 사용된다. 1184에서, 공진 압축파들이 또한 생성되고, 압축 이미지를 캡처하는 데 사용된다. 1882 및 1884의 순서는 본 발명의 다양한 예들에 따라 전단 이미지 및 압축 이미지의 조합된 캡처에서 역전되거나 병합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이어서, 1886에서, 캡처된 전단 이미지 및 압축 이미지가 사용되어, 터치 없음, 터칭 물체, 액체, 및 선택적으로 침지를 결정할 수 있다.

따라서, 전술된 바에 따라, 본 발명의 일부 예들은, 디바이스로서, 표면; 표면에 결합되는 변환기들의 어레이 - 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는, 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하도록 그리고 비중첩 윈도우들 동안 초음파 전단파의 반사 및 초음파 압축파의 반사를 수신하도록 구성됨 -; 및 변환기들의 어레이에 결합되는 프로세서 - 프로세서는, 각각의 변환기에 대해: 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하도록; 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하도록; 그리고 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 초과인 것에 따라, 어떠한 물체도 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하도록 구성됨 - 를 포함하는, 디바이스에 관한 것이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는 초음파 전단파 변환기이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, x 방향은 표면에 평행하게 정의되고, z 방향은 표면에 수직으로 정의되며, 각각의 초음파 전단파 변환기는 z 방향으로 초음파 전단파 변환기의 상부 및 저부 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고; 여기에서 전단파 변환기의 폴링 방향은 x 방향을 따라 정렬된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 표면은 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 선택되는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도 및 두께를 갖는다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는 복수의 펄스들을 생성하도록 구성되고, 각각의 펄스는 제1 주파수로 제1 사이클 수를 포함하며; 여기에서 제1 사이클 수 및 제1 주파수는 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 선택된다.

본 발명의 일부 예들은, 표면 상에서 물체 및 물을 검출하기 위한 방법으로서, 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하는 단계; 비중첩 시간 윈도우들 동안 초음파 전단파의 반사 및 초음파 압축파의 반사를 수신하는 단계; 및 각각의 변환기에 대해: 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고; 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하며; 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 초과인 것에 따라, 어떠한 물체도 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 본 방법은 초음파 전단파 변환기를 사용하여 각각의 변환기로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, x 방향은 표면에 평행하게 정의되고, z 방향은 표면에 수직으로 정의되며, 본 방법은 초음파 전단파 변환기의 폴링 방향이 x 방향을 따라 정렬되도록 각각의 초음파 전단파 변환기를 배향시키는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 본 방법은 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 하는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도, 및 두께를 갖는 표면의 재료를 선택하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 본 방법은 복수의 펄스들을 갖는 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하는 단계를 추가로 포함하고, 각각의 펄스는 제1 주파수로 제1 사이클 수를 포함하며; 여기에서 제1 사이클 수 및 제1 주파수는 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 선택된다.

본 발명의 일부 예들은, 디바이스로서, 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 어레이 내의 각각의 위치로부터 표면 재료를 통해 전파하기 위한 수단; 비중첩 시간 윈도우들 동안 어레이 내의 각각의 위치로부터 초음파 전단파의 반사 및 초음파 압축파의 반사를 수신하기 위한 수단; 및 각각의 전파하기 위한 수단에 대해: 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고; 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하며; 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 초과이고 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 초과인 것에 따라, 어떠한 물체도 변환기에 대응하는 표면의 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하기 위한 수단을 포함하는, 디바이스에 관한 것이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 어레이 내의 각각의 위치로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하기 위한 수단은 초음파 전단파 변환기를 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, x 방향은 표면에 평행하게 정의되고, z 방향은 표면에 수직으로 정의되며, 각각의 초음파 전단파 변환기는 초음파 전단파 변환기의 폴링 방향이 x 방향을 따라 정렬되도록 배향된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 초음파 전단파로부터의 반사는 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 초음파 압축파로부터의 반사는 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 표면 재료는 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 하는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도, 및 두께를 갖는다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 전파하기 위한 수단은 복수의 펄스들을 갖는 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하도록 구성되고, 각각의 펄스는 제1 주파수로 제1 사이클 수를 포함하며; 여기에서 제1 사이클 수 및 제1 주파수는 특정 변환기에서 수신된 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 특정 변환기에서 수신된 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간이 중첩되지 않도록 선택된다.

본 발명의 일부 예들은, 디바이스로서, 감지 플레이트; 감지 플레이트의 배면에 결합되는 복수의 변환기들 - 복수의 변환기들은 전단파 공진 주파수로 그리고 압축파 공진 주파수로 복수의 변환기 위치들에서 감지 플레이트 내에 초음파들을 생성하도록 구성가능하고, 복수의 변환기 위치들에서 전단파 공진 주파수로 감지 플레이트 내에서 공진하는 전단파들의 전단파 에너지 레벨 및 압축파 공진 주파수로 감지 플레이트와 함께 공진하는 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성가능함 -; 및 복수의 변환기들에 결합되는 프로세서 - 프로세서는, 복수의 변환기 위치들 각각에서, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만인지 여부 및 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만인지 여부를 결정하도록, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 물체가 변환기 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있다고 결정하도록, 그리고 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 액체가 변환기 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있다고 결정하도록 구성됨 - 를 포함하는, 디바이스에 관한 것이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 복수의 변환기 위치들 각각에서, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 초과라는 결정에 따라, 어떠한 물체 또는 액체도 변환기 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있지 않다고 결정하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 표면 영역보다 큰 영역을 표현하는 제1 복수의 인접한 변환기 위치들에 대해 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 초과라는 결정에 따라, 감지 플레이트가 공기 중에 위치된다고 결정하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 표면 영역보다 큰 영역을 표현하는 제1 복수의 인접한 변환기 위치들에 대해 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이고 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 감지 플레이트가 액체 내에 침지되어 있다고 결정하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 표면 영역보다 큰 영역을 표현하는 제1 복수의 인접한 변환기 위치들에 대해 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이고 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 감지 플레이트가 손바닥 터치 하에 있다고 결정하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 전단파들 및 압축파들은 약 0의 군속도를 갖는 비전파 파들이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 복수의 변환기들은, 복수의 행들로 패턴화되고 감지 플레이트의 배면 상에 형성되는 제1 전도성 재료 층; 제1 전도성 재료 층 상에 배치되는 피에조 재료 층; 및 복수의 열들로 패턴화되고 피에조 재료 층 상에 배치되는 제2 전도성 재료 층을 포함하며, 여기에서 피에조 재료 층이 제1 전도성 재료 층과 제2 전도성 재료 층 사이에 배치되는 상태로 제1 전도성 재료 층이 제2 전도성 재료 층과 교차하는 위치에 변환기가 형성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 기간 내에 인접한 제2 변환기 및 제3 변환기에서 전단파 공진 주파수로 초음파들을 생성하도록 그리고 제1 기간 내에 제1 변환기 및 제4 변환기에서 전단파들의 전단파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성되고, 제2 변환기는 제1 변환기에 인접하며, 제4 변환기는 제3 변환기에 인접하고, 제1 변환기 내지 제4 변환기는 제1 방향으로 연속하여 배열된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 기간 내에 제2 변환기에서 압축파 공진 주파수로 초음파들을 생성하도록 그리고 제1 기간 내에 제1 변환기 및 제3 변환기에서 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성되고, 제1 변환기는 제2 변환기에 인접하며, 제2 변환기는 제3 변환기에 인접하고, 제1 변환기 내지 제3 변환기는 제1 방향으로 연속하여 배열된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 기간 내에 인접한 제1 변환기 및 제2 변환기에서 전단파 공진 주파수로 초음파들을 생성하도록 그리고 제1 기간 내에 제1 변환기에서 전단파들의 전단파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성되고, 제1 변환기 및 제2 변환기는 제1 방향으로 연속하여 배열된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 제1 기간 내에 제1 변환기에서 압축파 공진 주파수로 초음파들을 생성하도록 그리고 제1 기간 내에 제1 변환기에서 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 송신 윈도우 내에 제1 변환기에서 초음파 전단파 또는 압축파 공진 주파수들을 생성하도록 그리고 송신 윈도우 후의 수신 윈도우 내에 제1 변환기에 인접한 제2 변환기에서 전단파 또는 압축파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성된다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 프로세서는, 송신/수신 윈도우 내에 제1 변환기에서 초음파 전단파 또는 압축파 공진 주파수들을 생성하도록 그리고 송신/수신 윈도우 내에 제1 변환기에 인접한 제2 변환기에서 전단파 또는 압축파 에너지 레벨을 검출하도록 추가로 구성된다.

본 발명의 일부 예들은, 감지 플레이트 상에서 물체 또는 액체를 검출하기 위한 방법으로서, 전단파 공진 주파수로 그리고 압축파 공진 주파수로 복수의 위치들에서 감지 플레이트 내에 초음파들을 생성하는 단계; 복수의 위치들에서 전단파 공진 주파수로 감지 플레이트 내에서 공진하는 전단파들의 전단파 에너지 레벨 및 압축파 공진 주파수로 감지 플레이트와 함께 공진하는 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하는 단계; 및 복수의 위치들 각각에서, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만인지 여부 및 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만인지 여부를 결정하고, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 물체가 그 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있다고 결정하며, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 액체가 그 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있다고 결정하는 단계를 포함하는, 방법에 관한 것이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 복수의 위치들 각각에서, 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 초과라는 결정에 따라, 어떠한 물체 또는 액체도 그 위치에서 감지 플레이트와 접촉하고 있지 않다고 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 표면 영역보다 큰 영역을 표현하는 제1 복수의 인접한 위치들에 대해 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 초과이고 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 초과라는 결정에 따라, 감지 플레이트가 공기 중에 위치된다고 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 표면 영역보다 큰 영역을 표현하는 제1 복수의 인접한 위치들에 대해 압축파 에너지 레벨이 압축파 임계치 미만이고 전단파 에너지 레벨이 전단파 임계치 미만이라는 결정에 따라, 감지 플레이트가 액체 내에 침지되어 있다고 결정하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 전단파들 및 압축파들은 약 0의 군속도를 갖는 비전파 파들이다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은 복수의 위치들 각각에서 피에조 재료를 가로질러 AC 여기 신호를 인가함으로써 복수의 위치들에서 초음파들을 생성하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 기간 내에 인접한 제2 위치 및 제3 위치에서 전단파 공진 주파수로 초음파들을 생성하는 단계; 및 제1 기간 내에 제1 위치 및 제4 위치에서 전단파들의 전단파 에너지 레벨을 검출하는 단계 - 제2 위치는 제1 위치에 인접하고, 제4 위치는 제3 위치에 인접하며, 제1 위치 내지 제4 위치는 제1 방향으로 연속하여 배열됨 - 를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 기간 내에 제2 위치에서 압축파 공진 주파수로 초음파들을 생성하는 단계; 및 제1 기간 내에 제1 위치 및 제3 위치에서 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하는 단계 - 제1 위치는 제2 위치에 인접하고, 제2 위치는 제3 위치에 인접하며, 제1 위치 내지 제3 위치는 제1 방향으로 연속하여 배열됨 - 를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 기간 내에 인접한 제1 위치 및 제2 위치에서 전단파 공진 주파수로 초음파들을 생성하는 단계; 및 제1 기간 내에 제1 위치에서 전단파들의 전단파 에너지 레벨을 검출하는 단계 - 제1 위치 및 제2 위치는 제1 방향으로 연속하여 배열됨 - 를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 제1 기간 내에 제1 위치에서 압축파 공진 주파수로 초음파들을 생성하는 단계; 및 제1 기간 내에 제1 위치에서 압축파들의 압축파 에너지 레벨을 검출하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 송신 윈도우 내에 제1 위치에서 초음파 전단파 또는 압축파 공진 주파수들을 생성하는 단계; 및 송신 윈도우 후의 수신 윈도우 내에 제1 위치에 인접한 제2 위치에서 전단파 또는 압축파 에너지 레벨을 검출하는 단계를 추가로 포함한다. 위에 개시된 예들 중 하나 이상에 대해 대안적으로 또는 추가적으로, 일부 예들에서, 본 방법은, 송신/수신 윈도우 내에 제1 위치에서 초음파 전단파 또는 압축파 공진 주파수들을 생성하는 단계; 및 송신/수신 윈도우 내에 제1 위치에 인접한 제2 위치에서 전단파 또는 압축파 에너지 레벨을 검출하는 단계를 추가로 포함한다.

본 발명의 예들이 첨부 도면들을 참조하여 충분히 설명되었지만, 다양한 변경들 및 수정들이 당업자에게 명백하게 될 것이라는 것에 유의해야 한다. 이러한 변경 및 수정은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 예들의 범주 내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

디바이스로서,
표면;
상기 표면에 결합되는 변환기들의 어레이 - 상기 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하도록, 그리고 비중첩 윈도우들 동안 상기 초음파 전단파의 반사 및 상기 초음파 압축파의 반사를 수신하도록 구성됨 -; 및
상기 변환기들의 어레이에 결합되는 프로세서
를 포함하고, 상기 프로세서는, 각각의 변환기에 대해:
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고;
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고;
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치를 초과하는 것에 따라, 어떠한 물체도 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하도록 구성되는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는 초음파 전단파 변환기인, 디바이스.
제2항에 있어서, x 방향은 상기 표면에 평행하게 정의되고 z 방향은 상기 표면에 수직으로 정의되며, 각각의 초음파 전단파 변환기는:
상기 초음파 전단파 변환기의 상부 및 저부 상에서 상기 z 방향으로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고;
상기 초음파 전단파 변환기의 폴링 방향은 상기 x 방향을 따라 정렬되는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사인, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 표면은, 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록(non-overlapping in time) 선택되는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도 및 두께를 갖는, 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기는 복수의 펄스를 생성하도록 구성되고, 각각의 펄스는 제1 주파수에서 제1 사이클 수를 포함하며;
상기 제1 사이클 수 및 상기 제1 주파수는 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록 선택되는, 디바이스.
표면 상의 물체 및 물을 검출하기 위한 방법으로서,
변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 초음파 전단파 및 초음파 압축파를 생성하는 단계;
비중첩 시간 윈도우들 동안 상기 초음파 전단파의 반사 및 상기 초음파 압축파의 반사를 수신하는 단계; 및
각각의 변환기에 대해:
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하는 단계;
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하는 단계; 및
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치 초과를 하는 것에 따라, 어떠한 물체도 상기 변환기에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 초음파 전단파 변환기를 사용하여 각각의 변환기로부터 상기 초음파 전단파 및 상기 초음파 압축파를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서, x 방향은 상기 표면에 평행하게 정의되고 z 방향은 상기 표면에 수직으로 정의되며, 상기 초음파 전단파 변환기의 폴링 방향이 상기 x 방향을 따라 정렬되도록 각각의 초음파 전단파 변환기를 배향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사인, 방법.
제8항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사인, 방법.
제8항에 있어서, 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록 하는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도, 및 두께를 갖는 상기 표면의 재료를 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 복수의 펄스를 갖는 상기 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 상기 초음파 전단파 및 상기 초음파 압축파를 생성하는 단계 - 각각의 펄스는 제1 주파수에서 제1 사이클 수를 포함함 - 를 더 포함하고;
상기 제1 사이클 수 및 상기 제1 주파수는 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록 선택되는, 방법.
디바이스로서,
초음파 전단파 및 초음파 압축파를 어레이 내의 각각의 위치로부터 표면을 통해 전파하기 위한 수단;
비중첩 시간 윈도우들 동안 상기 어레이 내의 각각의 위치로부터 상기 초음파 전단파의 반사 및 상기 초음파 압축파의 반사를 수신하기 위한 수단
을 포함하고,
각각의 전파하기 위한 수단에 대해:
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 제1 임계치 미만이고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 제2 임계치 미만인 것에 따라, 물체가 상기 전파하기 위한 수단에 대응하는 상기 표면의 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고;
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치 미만인 것에 따라, 액체가 상기 전파하기 위한 수단에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있는 것으로 결정하고;
상기 초음파 전단파로부터의 반사가 상기 제1 임계치를 초과하고 상기 초음파 압축파로부터의 반사가 상기 제2 임계치를 초과하는 것에 따라, 어떠한 물체도 상기 전파하기 위한 수단에 대응하는 상기 표면의 상기 영역과 접촉하고 있지 않은 것으로 결정하는, 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 어레이 내의 각각의 위치로부터 상기 초음파 전단파 및 상기 초음파 압축파를 전파하기 위한 상기 수단은 초음파 전단파 변환기를 포함하는, 디바이스.
제16항에 있어서, x 방향은 상기 표면에 평행하게 정의되고, z 방향은 상기 표면에 수직으로 정의되고, 각각의 초음파 전단파 변환기는 상기 초음파 전단파 변환기의 폴링 방향이 상기 x 방향을 따라 정렬되도록 배향되는, 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사인, 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 초음파 전단파로부터의 반사는 상기 초음파 전단파의 제1 반사에 후속하는 반사이고, 상기 초음파 압축파로부터의 반사는 상기 초음파 압축파의 제1 반사에 후속하는 반사인, 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 표면은 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록 하는 특성 초음파 압축파 속도, 특성 초음파 전단파 속도, 및 두께를 갖는, 디바이스.
제15항에 있어서, 상기 어레이는 변환기들의 어레이를 포함하고, 상기 전파하기 위한 수단은 복수의 펄스를 갖는 상기 변환기들의 어레이 내의 각각의 변환기로부터 상기 초음파 전단파 및 상기 초음파 압축파를 생성하도록 구성되고, 각각의 펄스는 제1 주파수로 제1 사이클 수를 포함하며;
상기 제1 사이클 수 및 상기 제1 주파수는 상기 변환기들의 어레이의 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 전단파로부터의 제1 반사가 상기 특정 변환기에서 수신되는 상기 초음파 압축파로부터의 제1 반사에 대해 시간 비중첩되도록 선택되는, 디바이스.